（微电子学与固体电子学专业论文）碳化硅器件及其温度特性的研究.pdf

中国科学技术大学硕士论文 摘要 第三代宽带隙( w b g ) 半导体材料s i c 具有高击穿电场、高饱和电子漂移 速率、高热导率及抗辐照能力强等一系列优点，特别适合制作高压、高温、高功 率、耐辐照等半导体器件，使得其在国民经济和军事等诸多领域有着广泛的应用 前景，己引起了电予材料和微电子技术领域的广泛关注。本文从s i c 肖特基器件 的制备过程，s i c 器件的温度特性，s i c 高温传感器等方面进行了较为深入系统 的研究。 1 研制了碳化硅肖特基势垒二极管。研究了金属一碳化硅接触的基本问题 和s i c 的基本工艺过程，制定了一套制造碳化硅肖特基势垒二极管的工艺流程和 工艺条件。采用平面工艺，用高真空电子束分别蒸发金属n i 、t i 做肖特基接触， 采用多层金属n i 、t i 、a g 合金做欧姆接触，制作出n “h s i c 、t i 4 h s i c 肖特 基势垒二极管( s a d ) 。对器件进行了测量分析，i v 测量曲线说明肖特基二极管 的特性比较理想，可以看出它是比较理想的肖特基势垒器件。 2 研究了s i c 器件的温度特性。研究了s i cs b d 在一1 0 0 到5 0 0 。c 之间正 向直流压降与温度变化的关系。实验表明：当通过肖特基势垒二极管的正向电流 恒定时，器件正向直流压降随温度变化具有线性关系，斜率约为1 8 m v ，由 此，提出了以4 h s i c 肖特基势垒二极管为基础的高温温度传感器模型。此外， 还分析了s i cm o s f e t 器件的温度特性。 3 根据s i c 的温度特性及其耐高温的特性，我们设计了s i c 高温传感器。 阐述了s i c 高温温度传感器的工作原理，介绍了传感器系统的结构。系统的测温 范围在o 到5 0 0 。| c ，精度可达o 56 c 。另外，还介绍了s i c 高温压力传感器的基 本结构及最新的研究成果。为s i c 器件在高温领域的应用打下一个良好的基础。 中围科学技术大学顾- 论文 a b s t r a c t s i l i c o nc a r b i d e ( s i c ) ，a so n eo ft h et h i r dg e n e r a t i o ns e m i c o n d u c t o rm a t e r i a l ，h a s al o to fg o o de l e c t r i c a la n dt h e r m a l p r o p e a i e s ，s u c h a sw i d eb a n d g a p ，h i g h b r e a k d o w nf i e l d ，h i g ht h e r m a lc o n d u c t i v i t ya n dh i g hs a t u r a t i o ne l e c t r o nv e l o c i t y t h e s e p r o p e r t i e sm a k es i c a p r e f e r r e ds e m i c o n d u c t o r f o rt h ef a b r i c a t i o no fd e v i c e si n h i g ht e m p e r a t u r e ，h i g hf r e q u e n cy h i g hv o l t a g ea n dh i g hp o w e rc o n d i t i o n s i nt h i s t h e s i s ，t h ef a b r i c a t i o no f s i c d e v i c e ，t h et e m p e r a t u r ec h a r a c t e r i s t i c so f s i cd e v i c ea n d s i ch i g ht e m p e r a t u r es e n s o ra r ec o n c e m e d t h em a i nw o r k si nt h i st h e s i s8 r es u m m a r i z e d a sf o 1 0 w s ： f i r s t l y , w i t hm i c r o e l e c t r o n i c sp l a n et e c h n o l o g y , t h ee l e c t r o nb e a me v a p o r a t i o ni s u s e dt od e p o s i tm e n t a ln i ，t it of o r mt h es c h o t t k yc o n t a c t r e s p e c t i v e l ya n dt i ，n i ，a gt o f o r mo h m i cc o n t a c ti nh i g hv a c u u ma m b i e n t ，w em a d en i 4 h s i cs c h o t t k yb a r r i e r d i o d ea n dt i 4 h s i c s c h o t t k y b a r r i e rd i o d e m e a s u r e m e n t so ft h ef o r w a r di - v c h a r a c t e r i s t i c so f o u rs b d sh a v es h o w nt h e i rg o o dp r o p e r t i e s s e c o n d l y , w e t e s tt h e t e m p e r a t u r e c h a r a c t e r i s t i c si naw i d e t e m p e r a t u r er a g ef r o m - 1 0 0 * ct o5 0 0 。c t h er e s u l ts h o w st h a tw h e nt h ef o r w a r dc u r r e n t t h r o u g h t h ed e v i c e i sc o n s t a n t ，t h ef o r w a r dv o l t a g eh a sal i n e a rf u n c t i o nw i t ht h et e m p e r a t u r ec h a n g e t h e n ，w eb r i n gf o r w a r da 4 h s i cb a s e d t e m p e r a t u r es e n s o r , w h i c h c a n o p e r a t e a tv e r y h i g ht e m p e r a t u r e b e s i d e s ，t h et e m p e r a t u r ec h a r a c t e r i s t i c so f s i cm o s f e ti ss t u d i e d t h i r d l y , a c c o r d i n g t ot h et e m p e r a t u r ec h a r a c t e r i s t i co fs i cs b da n dt h e r m a l p r o p e r t yo fs i c ，ah i g ht e m p e r a t u r e s e n s o ri sd e s i g n e d t h e ni n t r o d u c et h ew o r k i n g p r i n c i p l e s ，s t r u c t u r ea n dt h et e c h n o l o g yp r o c e s so f t h i sk i n do f s e n s o r , a n di t ss y s t e ma sw e l l t h e s e n s o rs y s t e mo p e r a t e so v e ra t e m p e r a t u r er a n g ef r o mo * ct o5 0 0 c b e s i d e s ，s i ch i g h t e m p e r a t u r ep r e s s u r es e n s o ri sa l s oc o n c e m e d 中网科学技术大学硕上论空 第一章绪论 l 。1碳化硅高温器件的研究背景及发展现状 1 1 1研究背景 硅是当今微电子器件的主要基底材料。硅基器件占了i c 和分立器件的绝大 部分份额。然而。作为电子器件用的材料，单晶硅存在着些不足，带隙相对较 小，而且是间接带隙，不能通过合金化来调节，化学稳定性较一般。这些缺陷限 制了硅基电子器件难以在高于2 5 06 c 的高温下工作，特剐是当高的工作温度与大 功率、高频和强辐射环境条件并存时，硅器件根本无法胜任。随着科学技术的发 展，越来越多的领域如航天、航空、军事、石油勘探、核能、通讯等，都需要能 够在2 5 04 c 一6 0 0 。c 的高温环境下工作的电子器件”“lz 表l l 列出了这些领域 中当前和未来对电子器件的温度要求。从表中可以看出，对于一些重要领域，工 作温度都有大幅度的提高，传统的硅基电路难于承担这一重任。碳化硅( s i c ) 材料具有良好的物理和电学性能，特别适合制作高频、大功率、耐辐照等器件， 成为自九十年代以来微电子领域的研究热点之一。 表1 一i 当前与未来器件工作温度要求比较 应用领域当前工作温度( ) 未来工作温度( )可靠性( 小时) 汽车电子1 2 5 1 4 01 6 5 2 5 0 1 0 ，0 0 0 航空1 2 52 0 0 1 0 ，0 0 0 航天3 0 05 0 0 l o , o o o 3 0 ，0 0 0 石油勘探1 7 51 7 510 ，0 0 0 3 0 0 0 0 地热开发2 0 02 5 0 - 2 6 0 1 0 ，o o o - 3 0 ，0 0 0 功率电子 1 2 52 5 0 5 0 0 1o ，0 0 0 3 0 ，0 0 0 碳化硅材料的最主要特点是：禁带宽度大、击穿电场高、热导率大、电子 饱和漂移速度高。图1 - 1 1 1 3 给出了s i c 与s i 的基本参数的比较以及对器件极端 特性的影响。宽带隙可使高温工作的电子器件、飞机中的机电制动器、深层钻井 的传感器、抗辐射器件、异质结晶体管中的注入效率、l e d 中的发射高铑量光、 中田科学技术人学坝i j 论文 激光= 极管和h e m t 中的载流子限制、超低漏电流器件受益；高击穿电场可使 图1 1s i c 和s 材料的基本参数比较以及对器件特性的影响 s i c 应用于高压大功率丌关二极管、晶体管、可控硅、空间应用的大功率 m o s f e t 、s i s f e t 中的外延栅绝缘体、和i c 中高密度封装；高的热导率使s i c 成为良好的热耗散大功率器件，也可作为s i 衬底材料提供好的热耗散；高电子 饱和漂移速度使得其在雷达中的微波功率器件、快速二极管、大功率、高可靠性 及超精度微细加工中有着广泛应用；高载流子迁移率使得s i c 器件具有很好频率 特性和放大特性，可用于制作高频m o s f e t 。 1 1 2 发展进程和研究现状 事实上，碳化硅使最早被发现底半导体材料之一，1 8 2 4 年b e r z e l i u s 在试图 合成金刚石时偶然发现了s i c 1 ”。1 8 8 5 年a c h e s o n 人工合成s i c ，而且分析出其 由碳和硅组成，确定分子式s i c 。但是，由于碳化硅高化学和物理稳定性，使得 其单品生长和化学及机械处理非常困难，所以一直到2 0 世纪7 0 年代，这方面底 研究进展都很缓慢。直到1 9 7 8 年，t a i r o v 和t s v e t k o v 提出了l e l y 热生长法的改 进方法一籽晶升华生长法【15 1 ，使生长大面积高质量碳化硅成为可能，从而掀起 了大规模碳化硅材料和器件研究的序幕。同时，s i c 薄膜制备技术，如化学汽相 外延( c v d ) ，液相外延生长( l p e ) ，汽相外延生长( v p e ) ，分子束外延法( m b e ) 中田科学技术人学棚i 论义 等方法，特剐是c v d 生长技术不断成熟并应用于碳化硅生长，使得s i c 在市场 l 有了。个合适的位置。1 9 8 7 年，美国c r e e 公司成立，它能提供2 英寸的商业 生产的芯片和少量的3 英寸4 英寸芯片供研究用。九十年代初，美国国防部和能 源部都把碳化硅集成电路列为重点项目，要求到2 0 0 0 年在武器系统中要广泛使 用碳化硅器件和集成电路。从此开始了有关碳化硅材料和器件的系统研究，并取 提了相当大的进展1 7 1 8 1 。 在高温器件方面，各类碳化硅器件都显示出良好的温度性能。封装好的6 h s i c 整流二极管在3 5 0 下成功通过1 0 0 0 小时的加压测试，器件性能没有明显 改变1 19 】。这说明该器件在高温有很好的可靠性。未封装的整流器在5 0 0 。c 时还有 很好的性能。n p n6 h s i c 台面结构的双极晶体管在温度由2 7 增至2 5 0 和 4 0 0 。c 时，其增益分别为1 0 4 ，7 _ 8 和1 0 2 1 l 叭。在低温区，随着温度的增大，晶 格散射增大，电子迁移率下降，因而增益下降；在高温区，虽然随着温度的增加 电子迁移率仍下降，但少子寿命显著增加，因此增益反而增大。这一结果与硅双 极晶体管相同。不同类型的如m e s f e t 和j e f t ，在5 0 0 时都具有良好的电性 能。俩种器件随温度性能的变化规律相同，栅极电流随温度变化不大，夹断电压 稳定不变。漏极电流和跨导的晟大值在2 0 0 。c 。温度将至室温以下时，漏极电流 和跨导均随着温度减小而减小。其原因是随着温度的降低，载流子浓度也随着降 低。表1 2 列出了目前碳化硅高温器件的性能。 t l t a 2 表1 - - 2s i c 器件的最高工作温度 s i c 器件m o s f e tm e s f e tj e f t 4 h s i cn p n 晶体管 最高工作温度( ) 3 5 05 0 05 0 05 0 0 s i c 器件b j tp m o s 电路n m o s 环形c m o s 运放 振荡器 最高工作温度( ) 4 0 0 4 0 03 5 03 5 0 在其它器件研究方面，国内外科研机构都取得了一定的进展。国内在s i c 材料与器件的研究方面也有一定的进展。西安电子科技大学微电子研究所、中国 科技大学，中科院半导体所等单位相继丌展了碳化硅材料制备技术与设备、器件 模拟与设计、关键器件工艺技术的研究，取得了一系列成果。其中在单晶硅衬底 中国科学技术大学硕士论文 上异质外延生长3 c s i c ，4 h s i c 膜的工作很有特色，为开发廉价的高质量单晶 碳化硅膜奠定了一定基础。在肖特基器件( s b d ) 研究方面，国外2 0 0 1 年8 月 最新报导的m p s ( m i xp na n ds c h o t t k y ) 二极管“”1 ，其反向击穿电压为6 0 0 v ，正 向电流可达1 4 0 a ，可以工作在2 5 0 c 。1 9 9 9 年国内西安电子科大微电子所等单 位报导过采用p t 6 h s i c 制作肖特基二极管。1 ”1 ，理想因子为1 2 3 ，肖特基势垒 高度为1 0 3 e v ，开启电压约为0 5 v 。2 0 0 1 年报导了4 1 1 一s i c 混合p n s c h o t t k y 二极管的研制和特性“1 ，该器件可耐压6 0 0 v ，在6 0 0 v 时最小反向漏电流为 1 1 0 1 a c m 2 。1 0 0 0um 的大器件在正向电压为3 v 时电流密度为2 0 0 a c m 2 ，而 2 0 0um 的小尺寸器件在正向电压为3 5v 电流密度可达1 0 0 0 a c 开。在雪崩二 极管( i m p a t t ) 器件研究方面，2 0 0 1 年6 月报导了美国p u r d u e 大学用4 h s i c 研制出的i m p a t t 二极管“。，器件面积为1 2 2 7 x1 0 。4 c i l l 2 ，击穿电压为8 0 0 v ，在 大约7 7 5 g h z 时功率达到l m w 量级。在m o s f e t 器件研究方面，1 9 9 8 年报导的美 国p u r d u e 大学用4 h s i c 研制出外延型横向d m o s f e t s ”3 ，反向电压可以达到 2 7 k v ，室温下阈值电压为6 v ，动态电阻率3 1 8 q c m 2 ，在1 5 5 。c 时闽值电压降为 6 v ，动态电阻率1 8 5 qc m 2 。m e s f e t 器件方面，1 9 9 9 年3 月i e e e 报导的法国学 者研制的4 h s i cm e s f e t “，最大输出功率密度1 7 5 w 唧，饱和电压为5 0 v ，对 应电流为1 4 0 m a ，效率为5 2 ，与理想值( 4 - 5w m m ) 相比，还有较大差距。 在碳化硅集成电路的研究上，1 9 9 4 年国外报导了第一个s i c 单片数字集成电 路“1 ，应用增强型负载n m o s 逻辑，从室温到3 0 0 。c 时是可行的。 如表1 3 所示，为最新报道的碳化硅功率器件的工作参数。由于碳化硅的 高饱和电子速率，它也是制作高频微波功率器件的理想材料。表1 4 给出了碳 化硅高频电子器件的一些概况。 表1 3最新的s i c 功率器件列表 器件名称性能参数参考文献 d l o d e1 1 9 6 0 0 v 6 0 am p s 16 m m 2d i ea r e a l _ 2 0 6 2 k vp i n l _ 2 l 3 8 5 k v s c h o t t k y 2 , 5 k v , 4 0 ap i n ，2 0 4 0 m m 2d i ea r e a 1 2 2 m o s f e t1 2 3 1 4 k vu m o s 4 中国科学技术人学硕上论文 1 2 4 2 6 k v1 e t r a ld i m o s 1 2 5 1 8 k v0 4 av e r t i c a lt i m o s ，l m m 2d i ea r e a 1 2 6 4 3 9 v1 a a c c u f e t , 2 2 m m 2d i ea r e a m e s f e t1 2 71 2 8 m e s f e tw i t hf m a x5 0 g h z 8 0 wc wa t3 1g h z ，s i n g l ed i e 1 2 91 3 0 s i t4 0 0 w p u l s e dp o w e r a t1 3 g h z ，m u l t i d i e 1 3 1 j e f e t1 3 2 1 8 k v1 5 av e r t i c a ld e v i c e ，2 3 m m 2d i ea r e a i g b t 4 0 0 v , i a p c h a n n e ld e v i c e ，2 m m 2d i ea r e a 1 3 3 b f t 8 k v , 2 5 a ，n p v nd e v i c e ，1 4 r a m 2d i ea r e a 1 3 4 t h y r i s t e r 7 0 0g t ow i t h8 0 0 a c m 2p e r f o r m a n c e 1 3 5 1 3 6 2 6 k v , 1 2 ag t o ，3 1 m m 2d i ea r e a 表l 一4 最新的s i cr f 功率器件列表 射频功率器件性能参数参考文献 4 0 0 w p u l s e dp o w e r a t1 3 g h z s i t ( 1 6d e v i c e s o f l 5 m ms o u r c e w i d t h ) 1 3 1 7 8 wa t2 9 g h z o r 4 7 wa t 4 g h z f 4d e v i c e so f1 2 9 m ms o u r c ew i d t h ) 8 0 wc wa t5 0 g h z w i t h3 8 p a e m e s f e t 1 _ 2 91 3 0 ( o 7 p , ml o n g ，4 8 m mw i d c ，f t9 g h z ，f m a x2 0 g h z ) 10 wo v e r4 0 0 m h z 2 5 g h z 1 _ 1 2 ( w i l lb ep r o d u c e db yc r e e ) 从上可以看出，碳化硅器件在高温场合具有良好的电性能，使得其在高温、 5 中国科学技术大学硕上论文 高功率、耐辐照、高频等电路中有着广泛的应用前景。 尽管碳化硅材料和器件及电路的研究已经取得了很大的进展，但是还有许 多问题需要解决： 1 发展高温和大功率器件的中心问题就是要有低成本、大面积、低缺 陷密度的衬底材料，只有在提高s i c 薄膜生长技术，制作出廉价的 高质量s i c 薄膜材料，才有可能在这基础上去发展s i c 集成电路和 大功率器件，真正的实现实用化。 2 解决工艺问题，实现微电子平面工艺，使得其适合于集成化。 3 进一步研究金属一碳化硅接触效应和制备技术，减小欧姆接触电 阻，提高器件性能和可靠性。 4 s i 0 2 - s i c 界面态在很大程度上决定了s i c 场效应器件的性能，若 界面态密度降到常规器件的水平，s i cm o s f e t 的特性将会得到很 大的改善。 5 进一步提高器件封装技术水平，由于s i c 器件往往指望其工作在高 温高压等极端环境，用当前普通的封装技术封装的器件往往在这种 极端环境下，封装会损坏导致器件的失效。只有提高器件的封装技 术水平，才能完全发挥s i c 器件的功能。 1 2 本论文的主要工作 本论文主要从以下几个方面对s i c 器件进行了研究。 第二章总结了s i c 材料的特性，并研究了其单晶生长和薄膜生长技术。分 析讨论了s i c 材料的晶体结构及多形体特性，s i c 材料的电学热学特性以及其与 s i c 器件性能的关系。简单介绍了s i c 单晶生长和薄膜生长技术。 第三章研究了金属一半导体的肖特基接触和欧姆接触的基本问题，讨论了 两种接触的原理及电子输运理论。接着设计并研制了n i 肖特基势垒二级管。采 用n i 作肖特基接触，多元金属n i 、t i 、a g 合金作欧姆接触，研制出肖特基势垒 二极管。讨论和分析了其特性，该器件理想因子为1 _ 7 3 ，肖特基势垒高度为 1 2 5 v ，室温下反向击穿电压大于4 5 0 v ，可以工作在4 0 0 第四章研究了碳化硅器件的温度特性。首先对我们研制的s i c 肖特基势垒 6 中国科学技术大学硕上论文 二极管和c r e e 公司的肖特基势垒二极管在一1 0 0 ( 2 至t j + 5 0 0 。c 区间的温度特性作 了研究，得出其温度特性，为下一步的s i c 器件应用作准备。接着，分析了温度 对s i cm o s f e t 各种参数的影响。 第五章给出了s i c 器件在高温领域的实际应用。分析一种具体的s i c 高 温温度传感器系统和s i c 高温压力传感器的基本结构，为s i c 器件的实用化作了 基础。 参考文献 1 1 i e e et r a n so ni e ，s p e c i a li s s u eo nh i g h t e m p e r a t u r ee l e c t r o n i c s ，v j l i e 一2 9 ， n o 2 1 9 8 2 1 2 】 s e c o n di n t e r n a t i o n a l h i g ht e m p e r a t u r e e l e c t r o n i c s c o n f e r e n c e ，s e s s i o ni ， c h a r l o t t e ，n c ，j u n e5 - 1 0 ，1 9 9 4 1 3 】郝跃彭军，杨银堂，碳化硅宽带隙半导体技术，科学出版社，2 0 0 0 1 4 】j jb e r z e l i u s ，a n n p h y s ( l e i p z i g ) ，v 0 1 1 ，p p 1 6 9 1 9 2 1 5 y m t a i r o va n dv e e d m o n d d d ，h s k o n g ，s p r i n g e ri np h y s i c s ，v 0 1 7 1 ，p p 2 8 9 2 9 71 9 9 3 1 6 r e d a v i s ，p h y s i c a lb1 8 5 ，p p 1 - 15 1 9 9 5 1 7 h m o r k o c ，s s t r i t e ，g b g a o j a p p l p h y s v 0 1 7 6 ，n o 3p p 1 3 6 3 1 3 9 8 ，1 9 9 4 【1 8 】p a 1 v a n o va n dv e c h e l b o k o v , s e m i c o n d s c i t e c h ，7 ( 1 9 9 2 ) ，p p 8 6 3 8 8 0 1 9 e g n e u d e c k ，d j l a r k i n ，j a p a r n e l l ，p h y s ，l e t t 6 4 ( 11 ) ，e 1 3 8 6 ，1 9 9 4 1 1 0 j w p a l m o u r ，j ，a e d m o n d ，h s k o n g , e ta 1 p r o c ，2 8 m , i n t e r s o c i t ye n e r g y c o n v e r s i o n c o n f e r e n c e ，p p 1 2 4 9 1 2 5 4 ，1 9 9 3 1 1 1 】c r e e r e s e a r c h i n c ，1 9 9 4 【1 1 2 】e a l e x a n d r o v , e ta 1 d e m o n s t r a t i o no f1 4 0 a ，8 0 0 v4 h s i cp i n s c h o t t k yb a r r i e rd i o d e s w i t hm u l t i s t e p j u n c t i o nt e r m i n a t i o ne x t e n s i o ns t r u c t u r e s e l e c t r o n i c sl e t t e r s v 0 1 3 7 ，n 0 1 82 0 0 1 1 1 3 】张玉明，张义门，罗晋生，s i c 肖特基势垒二极管的研制 j 】半导体学报，1 9 9 9 ，l1 ( 2 0 ) ：1 0 4 0 1 0 4 3 7 主里整兰垫查查堂堡! 堡塞 1 1 4 张玉明，张义门等，4 h - s i c 混合p ns c h o t i k y 二极管的研制，r 导体学报，2 0 0 1 2 2 ( 3 ) ：2 6 5 - - 2 7 0 1 15 l u oy u a n ，e t ，a 1 e x p e r i m e n t a ld e m o n s t r a t i o no fas i l i c o nc a r b i d ei m p a t to s c i l a t o r i e e ee l e c t r o nd e v i c el e t t e r s ，v 0 1 2 2n o 6 ，j u n e2 0 0 1 1 1 6 j s p i t z ，m r m e l l o c h ，e t ，a 1 2 6 k v 4 h s i cl a t e r a ld m o s f e t si e e ee l e c t r o nd e v i c e l e t t t e r s ，a p r i l1 9 9 8 ，v 0 1 1 9 ，n o 41 0 0 - 1 0 2 1 1 7 】d e l p h i n es i r i e x , e t ，a 1 a c a d _ o r i e n t e d n o n l i n e a r m o d e lo f s i c m e s f e t b a s e d o n p u l s e d i ( v ) ，p u l s e d s - p a r a m e t e r s m e a s u r e m e n t s ， i e e et r a n s a c t i o n so ne l e c t r o n d e v i c e s ，v 0 1 4 0 ，n o 3 ，m a r c h1 9 9 9 9 ，p p 5 8 0 - 5 8 4 【1 1 8 】p r o ，o f i e e e ，s p e c i a l i s s u e o n p o w e r e l e c t r o n i c s & m o t i o n c o n t r o l ，1 9 9 4 1 1 9 】h e l d re t ，a 1 s i cp o w e r r e c t i f i e r sm a t e r s c i f o r u m ，2 0 0 03 3 8 - 3 4 2 ，p p l 4 0 7 - 1 4 1 0 1 2 0 】s u g a w a r a ，y ，e t ，a 1 6 2 k v4 h - s i cp i nd i o d ew i t hl o wf o r w a r dv o l t a g ed r o pm a t e rs c f o r u m ，2 0 0 0 ，3 3 8 - 3 4 2 p p 1 3 7 1 1 3 7 4 1 2 1 w a h a bq ，e ta l ，d e s i g n i n gp h y s i c a l s i m u l a t i o n sa n df a b r i c a t i o no f h i g n v o l t a g e s ( 3 8 5 k v 、4 h - s i cs c h o r t k yr e c t i f i e r sp r o c e s s e do nh o t - w a l la n dh i g h - t e m p e r a t u r e c v d f i l m s m a t e r s c i f o r u m ，2 0 0 0 ，3 3 8 - 3 4 2 ，p p 1 1 7 1 - 1 1 7 4 1 2 2 l e n d e n m a n n ，he t ，a 1 o p e r a t i o no f a 2 5 0 0 v 1 5 0 as i 一1 g b t s i cd i o d e m o d u l e ，m a t e r s c i f o r u m ，2 0 0 0 ，3 3 8 - 3 4 2 ，p p 1 4 2 3 - 1 4 3 6 1 2 3 s u g a w a r a y ，e t ，a 1 1 4 vs i cu m o s f e t w i t hl o ws p e c i f i co n r e s i s t a n c ep r o c e e d i n g o f i s p s d ( + ，k y o t o ，j a p a n ，1 9 9 8 ，p p 1 1 9 - 1 2 2 【1 2 4 】s p i t z je t ，a 1 2 ，6 k v4 h s i cl a t e r a ld m m o s f e t s i e e ee l e c t r o nd e v i c el e t t t e r s ， a p r i l1 9 9 8 ，v 0 1 1 9 , n o 41 0 0 1 0 2 【1 2 5 p e t e r s ，d ，e t , a la n1 8 0 0 vt r i p l ei m p l a n t e dv e r t i c a l6 h s i cm o s f e t i e e et r a n s e l e c t r o nd e v i c e19 9 9 ，4 6 ，( 3 ) ，p p 5 4 2 - 5 4 5 【1 2 6 】s i n g h re t ，a lh i g ht e m p e r a t u r eh i g hc u r r e n t4 h - s i ca c c u - d m o s f e t , m a t e r s c i f o r u m ，2 0 0 0 ，3 3 8 3 4 2 ，p p 1 2 7 1 - 1 2 7 4 1 2 7 s r i r a m se t ，a l s i cf o rm i c r o w a v e p o w e r t r a n s i s t o r s p h y s s t a t u s s o l i da 1 9 9 7 ，1 6 2 ，p p 4 4 1 4 5 7 【1 2 8 】 a l l e n s te t ，a 1 s i l i c o nc a r b i d em e s f e t sf o r h i g hp o w e rs - b a n da p p l i c a t i o n m a t e r s c i f o r u m ，1 9 9 8 ，2 6 4 2 6 8 ，p p 9 5 3 - 9 5 6 8 中国科学技术大学硕上论文 i 2 9 a l l e n ，s te t ，a lr e c e n tp r o g r e s si n s i cm i c r o w a v em e s f e t sm a t e r r e s s o c s y m p p r o c ，1 9 9 9 ，5 7 2 ，p p l 5 2 2 1 3 0 a l l e n ，s 一，p r i b b l e ，w l ，e t ，a lp r o g r e s si nh i g hp o w e rs i cm i c r o w a v em e s f e t s p r o c e e d i n g o f i e e em i tc o n f e r e n c e ，a n a h e i m ，c a ，u s a ，1 9 9 9 ，p p 3 2 1 - 3 2 4 1 3 1 b o j k o ，r j ，e t ，a lr e c e n tp r o g r e s si n4 h - s i cs t a t i c si n d u c t i o nf o rh i g hf r e q u e n c yp o w e r g e n e r a t i o na n n u a ld e v i c er e s e a r c hc o n f e r e n c ed i g e s t ，c h a r l o t t e s v i l l e ，v a ，u s a ，1 9 9 8 ，p p 9 6 9 7 1 3 2 】f r i e d r i c h s ，p ，e t ，a ls t m i ca n dd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so f4 h - s i cj e f t sd e s i g n e df o r d i f f e r e n tb l o c k i n g c a t e g o r i e sm a t e r s c i ，f o r u m2 0 0 0 ，3 3 8 3 4 2 ，p p 1 2 4 3 1 2 4 6 1 3 3 】r y u ，s he ta lh i g h p o w e rp - c h a n n e lu m o si g b ti ns i cf o rh i g ht e m p e r a t u r eo p e r a t i o n m a t e r s c i f o r u m ，2 0 0 03 3 8 3 4 2p p l 4 2 7 - 1 4 3 0 【1 3 4 r y u s e ta l 18 0 0 vn p n b i p o l a r j u n c t i o n si n4 h s i ci e e e e l e c t r o nd e v i c el e t t 1 3 5 a g a r w a l ，a ，ke t a l7 0 0 va s y m m e t r i c a l4 h s i cg a t et u r n - o 瞰g t o ) i e e ee l e c t r o n d e v i c el e t t ，1 9 9 7 ，1 8 ( 11 ) ，p p5 1 8 - 5 2 0 1 3 6 】a g a r w a l ，a ，e ta l 2 6 0 0 v1 2 a4 h - s i ca s y m m e t r i c a lg a t et u m - o f f ( g t o ) t h y r i s t o r d e v e l o p m e n tm a t e r s c i f o r u m2 0 0 0 ，3 3 8 - 3 4 2 ，p p l 3 8 7 - 1 3 9 0 9 中国科学技术人学硕1 论文 第二章碳化硅材料特性分析 2 1 碳化硅的晶体结构 碳化硅作为碳和硅的唯一稳定化合物，是元素周期表中i v 族元素中唯一 的一种固态碳化物。其晶体结构由致密排列的两个亚晶格组成，每个s i ( 或c ) 原子周围包围的四个c ( 或s i ) 原子通过定向强四面体s p 3 键结合在一起，这一 结构决定了碳化硅异常突出的化学稳定性和热稳定性、宽禁带和良好的抗辐照性 能。s i c 的硬度达9 级，仅次于金刚石；热导率为5 w c m k ，远高于大多数半 导体，室温时它几乎高于所有金属。s i c 化学性质非常稳定，它具有很高的原子 化能值，达到1 2 5 0 k j m o l ；s i c 热稳定性非常好，德拜温度高达到1 2 0 0 1 4 3 0 k 。 21 虽然s i c 四面体键很强，但层错形成能量却很低( 2 5 m j m 2 ) ，远低于g a a s 材料的5 5 m j m 2 ，这个特点决定了s i c 多型体系现象【2 2 1 ，即在相近的化学计量成 分时具有不同的晶体结构。多型体的区别仅在于每s i c 原子对堆跺次序不 同。每对s i c 原子以密排形式在原有s i c 原子层上堆跺时，相对位景只有三 个，分别汜做a 、b 、c ，从而构成了各种s i c 原子层堆跺周期性结构的s i c 多型体：如立方密堆积的闪锌矿结构；六角密堆积的纤锌矿结构和菱形结构，分 别记做c 、h 、r 。用该字母前的数字表示密排方向每一堆跺周期中s i c 层的 数目，如3 c 、4 h 、6 h 等。其中，3 c 代表有三层s i c 原子层周期排列成立方 结果，6 h 表示由6 层s i c 为一周期排列的六角结构。根据t h i b a u 命名法。， 一般把纤锌矿结构和菱形结构的s i c 统称为d s i c ，把闪锌矿结构的s i c 多型称 为b s i c 。目前已经发现的s i c 多型体达2 0 0 多种，并且从理论上讲多型体的数 目是无限多的。图2 1 是常见的s i c 几种晶体3 c s i c ，4 h s i c ，6 h s i c 的原 子排列方式图。 中国科学技术大学硕士论文 - b c 矜e 矜c 矜c e 罗一罗一 矜n e 罗一 矜e 罗一 矜c 罗一 矜e 图2 13 c 、4 h 、6 h 碳化硅晶体原子排列方式示意图 表2 l 列出了s i c 多型体的一些重要特性f 24 】。从表中看出们，多型体中 每个周期元胞中原子数不同，导致不同晶体的电子能带和振动分支的不同，从而 引起了各自物理性质的差异。 表2 1 常见s i c 多型体的重