新型半导体材料SiC

新型半导体材料SiC

结构及特性

使用 Si 器件的传统集成电路大都只能工作在 250℃以下，不能满足高温、高功率及高频等要求。SiC 具有独特的物理性质和电学性质，是实现高温、高频、抗辐射相结合器件的理想材料。从结构上来说，主要有两类：闪锌矿结构，简称3C &β-SiC（3C-SiC:ABC’ABC…）;六角型或菱形结构，简称α-SiC（主要包括6H-SiC:ABCACB’ABCACB…; 4H-SiC: ABAC’ABAC…）。

＊ A，B，C为Si-C四面体密堆积3种不同的位置

SiC 单位晶体结构几种常见 SiC 晶体形态的对垒模型相比Si及GaAs，SiC材料有绝缘破坏电场大、带隙大，导热率高、电子饱和速度快及迁移率高等特性参数，决定SiC功率元器件具有易降低导体电阻，高温下工作稳定及速度快等优势。然而目前SiC主要面临的挑战是出现电磁干扰(EMI) 问题及成本较高问题

特性参数

生产关键技术

SiC晶体生长 Sic具有高的化学和物理稳定性，使其高温单晶生长和化学处理非常困难。早期PVT法生长单晶：SiC源加热到2000℃以上，籽晶与源之间形成一定的温度梯度，使SiC原子通过气相运输在籽晶上生成单晶。主要受气相饱和度控制，生长速度和饱和度成正比。 PVT法生长的单晶几乎都是4H、6H-SiC，而立方的SiC中载流子迁移率较高，更适合于研制电子器件，但至今尚无商用的3C-SiC。另外，SiC体单晶在高温下(2000℃)生长，参杂难以控制，特别是微管道缺陷无法消除，所以SiC体单晶非常昂贵。

PVT 法晶体生长室示意图

外延外延生长技术主要有四种：化学汽相淀积(CVD)、液相外延生长(LPE) 、汽相外延生长(VPE) 、分子束外延法(MBE)

化学机械抛光由于SiC有很高的机械强度和极好的耐化学腐蚀的特性，相比于传统的

半导体材料（硅和砷化镓）它很难进行抛光。用胶体氧化硅对 SiC

进行化学机械抛光是目前比较常见的一种方法，抛光剂是二氧化硅颗粒的悬浮液，二氧化硅颗粒的粒度只有几十纳米。

氧化SiC是化合物半导体中唯一能够由热氧化形成SiO2的材料。采用与 Si 工艺类似的干氧、湿氧方法进行 SiC 的氧化，氧化温度 1100~1150℃之间，但氧化速率较慢，一般仅为几个nm/min。氧化速率与表面晶向有关，碳面氧化速率是硅面的 5~10 倍；另外，氧化速率还依赖于衬底参杂浓度，随参杂浓度的增加而增加。

刻蚀由于SiC材料的高稳定性，无法对它进行普通的湿法腐蚀。所以，只能采用干法拋光前拋光后 20h 拋光后 50h 拋光后 70h

刻蚀技术，以 CF、SF、CHCL3等 F 系、Cl 系气体和O2 为刻蚀剂，以溅射 Al 膜为掩蔽材料。通常可获得 10~100nm/min 左右的刻蚀速率和较高的选择性。

掺杂由于SiC 的键强度高，杂质扩散的温度(>1800℃)大大超过标准器件工艺的条件，SiC材料的高密度和低杂质扩散系数，而常温离子注入又存在缺陷无法恢复、杂质激活率低的问题。所以器件制作工艺的参杂不能采用扩散工艺，只能利用外延控制参杂和高温离子注入，得到无损伤的注入区和注入杂质的高比率激活。

金属化技术金属化技术用于在SiC材料表面上形成良好的奥姆接触和肖特基势垒接触。用NiCr合金替代Ni可以解决这些问题，这是应为Cr有很强的氧化倾向，很容易和半导体表面存在的氧结合而获得牢固的粘接强度；另一方面Cr也极易与SiC表面多余的C形成碳化物而具有极好的物理和化学稳定性；此外Cr也是优良的扩散阻挡层材料。

产品及应用

目前重点开发的器件类型

应用：

市场

主要企业：

以美国Cree公司为首美系供货商，主导SiC的主要技术及市场，产能占整个市场的90%以上。其它市场主要是，日本新日铁公司、罗姆(SiCrystal公司) 、日本东纤-道康宁合资公司等日系供货商。

产能分布：