宽禁带材料的发展.doc

宽禁带半导体材料及其器件应用新发展摘要：近几年以SiC为代表的宽禁带半导体材料以其宽的禁带宽度、高的击穿场强、高饱和漂移速度和高热导率，小介电常数和高的电子迁移率，以及抗辐射能力强等特性而成为国内外研究的热点，更成为制作高频、大功率、耐高温和抗辐射器件的理想材料。文章综述了SiC的材料特点、应用以及SiC材料发展现状及末来发展趋势。关键字：SiC 宽禁带材料1.特点SiC是宽带隙半导体，室温下带隙为2.39eV (3C-SiC)3.33eV (2H-SiC)。通过对能带结构的研究发现,它们所有的价带-导带跃迁都有声子参与,也就是说这些类型的SiC半导体都是间接带隙半导体。碳化硅独有的力学,光学,电学,和热属性使它在各种技术领域具有广泛的应用。SiC是目前发展最为成熟的宽禁带半导体材料,它有效的发光来源于通过杂质能级的间接复合过程.因此,掺入不同的杂质,可改变发光波长,其范围覆盖了从红到紫的各种色光.实验上发现SiC与氮化物可形成一种稳定单晶结构的固溶体,晶格常数与6H-SiC基本匹配,当组分x达到一定值时,将发生间接带隙向直接带隙的转变。一旦变成直接带隙,其发光性能将大幅变化,在短波长发光和超高亮度二极管方面有巨大的应用潜力。同时SiC具有高热导率、高电子饱和漂移速度和大临界击穿电压等特点，成为研制高频大功率、耐高温、抗辐照半导体微电子器件和电路的理想材料。2.国内外发展现状SiC是目前发展最成熟的宽禁带半导体材料，SiC器件能耐高温(500度以上)、高电压(1200V以上)，具有功率大、电流大、功耗小、频率高等优良特性，适用于大型电气设备系统，军用武器装备系统等，其耐差环境的特性是其他材料无法比拟的。SiC蓝光LED是唯一商品化的SiC器件,各种SiC多型体的LED覆盖整个可见光和近紫外光区域。6H-SiC纯绿光(530nm)的LED通过注入Al或液相外延得到,蓝光二极管是N-Al杂质对复合发光, 4H-SiC蓝光二极管是N-B杂质对复合发光。美国Cree公司是最早研究和生产SiC晶体和晶片的公司,其研制的蓝光LED发光中心为470nm,发光功率达到18微瓦。他们在1997年到1998年之间就可以生产2到3英寸的SiC晶片。该公司后来同日本著名的日亚化学公司合作生产蓝光和紫光LED器件。最近几年,欧盟和法国分别启动基于SiC的半导体器件重大项目,极大地推动了SiC研究在欧洲的进度。SiC作为第三代宽禁带半导体的典型代表, 无论是单晶衬底质量、导电的外延层和高质量的介质绝缘膜和器件工艺等方面, 都比较成熟或有可以借鉴的SiC器件工艺作参考, 由此可以预测在未来的宽禁带半导体器件中, SiC将担任主角, 独霸功率和微电子器件市场。我国在SiC单晶和基片研究方面落后国外5到8年的时间。山东大学晶体材料国家重点实验室利用自行设计的坩埚和温场, 稳定、重复地生长出了直径大于50.8 mm的6H- SiC晶体,晶体厚度大于20 mm。中国科学院物理研究所成功生长出直径为50.8 mm、厚度为25.4 mm, 具有较高质量的6H多型SiC单晶。除LED外, SiC器件还处于研制阶段。一方面SiC材料,特别是3C-SiC中的各种缺陷影响器件性能，另一方面与器件相关的工艺使得SiC的优势尚未得到开发。表1是SiC发展概况。表1 SiC发展概况从材料本身出发来讲， 4H- SiC由于处于自由排列状态而具有比氮化镓更显著的优点，虽然它仅作为一个重掺杂的N型衬底。目前，它是一种非常昂贵的材料，由生产的SiC晶圆设备的费用高达等效硅晶片价格的50倍。虽然这是不现实的，由于材料在完整的设备或系统中的成本，相对于如制造，外延，包装，配送费用等单个成本往往较低。通常，额外的成本可以在提高系统的整体效率，减少了系统的体积，重量，或降低其冷却要求方面考虑。然而，基于碳化硅晶圆变得更具成本竞争力，碳化硅晶圆尺寸以及每片晶圆设备产量器件都在增加。100nm晶圆现在无处不在,150nm晶圆也开始商业化。此外，由于大幅度提高产量，材料的质量与十多年前相比是无法识别。所谓的“致命缺陷” - 微管 现在在优质材料中已经被根除，而促进双极型器件的正向电压漂移的基底面位错正在减少，但对于要实现长载流子寿命必要的电导率调制双极型器件来说仍然太高。无论如何，SiC器件的最近商业化可以归因于在材料质量的大量提高。在高电压下，功率器件（功率MOSFET ，IGBT，晶闸管等）的导通电阻是由它的漂移区的电阻决定的。对于一个给定的阻断电压，宽禁带设备可以做成更薄的漂移区，利用其更大的临界电场。然而，在低于1200 V时随着电压的降低，它是沟道区电阻将在SiC器件中起主导作用，其中在SiC/Si02界面的载流子迁移率仍然是一个长期悬而未决的问题。高的界面陷阱，通常比在Si/Si02接口高2-3个数量级，导致电荷俘获和增加了通常把反型沟道迁移率降低到约140 cm2/Vs的库伦散射。后氧化退火的N20和NO, 最近达到125 cm2/Vs的迁移率。在每一种情况下，似乎是氮和磷等n型掺杂剂，被消极缺陷的氧化物界面，降低界面态的密度。有限的沟道迁移率在低电压操作的MOSFET器件中阻止碳化硅及其材料的限制，由于它们没有MOS界面，所以呈现出一些优势尽管它们也面临着各自的挑战。在JFET中 ，非常窄的n型源漏极通道可以被看作是由一个p型栅包围，因此电流可通过表面形成的天然夹断耗尽区进行控制。这个设备的结构的显著缺点就是，它是一个常开装置，需在栅极加负电压。因此，集成了一个常开JFET成安全关键系统。该改变将JFET结构为常开器件的修改需要非常窄的低掺杂通道，因此重新引入显著的通态损耗。碳化硅双极型晶体管不遭受与SiC MOSFET或JFETs相同的电阻问题，因为他们不依赖于任何形式的沟道。与之形成鲜明对比的硅，碳化硅双极型器件具有很大的提高增益，并显示非常快的开关速度。这是由于SiC的载流子寿命比较低，由于材料内的大量点缺陷的增加了电子 - 空穴复合率。载流子寿命长是一个折衷的功率器件，并在碳化硅双极型器件来说最好是缺陷密度减少。这将允许电导调制漂移区，用低的导通电阻为非常高的电压器件SIC单极型器件打开门。所述的碳化硅位的几个缺点是，因为该位是一个电流驱动装置，额外的功率消耗在驱动电流路径和控制电路也比在电压驱动器件如MOSFET的更复杂。碳化硅在高温下具有优异的凭证，由于这种材料的WBG表示的热水平呈现的Si在200成几乎变成类似金属的状态，对碳化硅直到超过10000也不会发生。这结合了极好的热传导性，也就是说，SiC器件可以很容易地驱散电源开关所产生的热量。阻止使用SiC功率器件在温度超过175的Si电流限制的最大挑战是设备包装，引线键合，设备安装和模块本身都需要相同的温度额定值。3应用SiC材料的第三种用途是用于制造半导体的高纯度单晶材料,材料的生长和器件的制备是高新技术产业。与硅(Si)和砷化镓(GaAs)为代表的传统半导体材料相比,SiC半导体材料是第三代半导体材料,具有高热导率、高击穿场强、高饱和电子漂移速率和高键合能等优点,如表1所示,可以满足现代电子技术对高温、高功率、高压、高频以及抗辐射等恶劣条件的新要求,因而是半导体材料领域最有前景的材料之一。利用其良好的导热性,SiC器件应用在航空、航天探测、核能开发、卫星、石油和地热钻井勘探、汽车发动机等需要高温(350500)的工作环境中;利用其宽禁带和高化学稳定性,SiC器件被应用在抗辐射领域;利用其高电子饱和漂移速度,高频和微波SiC器件具有不可替代的优势;利用其具有大的击穿电场,高功率SiC器件在雷达、通信和广播电视领域具有重要的应用前景。此外,由于SiC晶体与氮化镓(GaN)晶体在晶格和热膨胀系数上相匹配,以及其具有优良的热导率,SiC半导体晶片也成为制造大尺寸、超高亮度白光和蓝光GaNLED(lightemittingdiode,发光二极管)和LD(laserdiode,激光二极管)的理想衬底材料,成为光电行业的关键基础材料之一。4.未来发展趋势目前曾长期困扰SiC材料发展的微孔问题已基本解决，SiC材料发展的方向是在不断降低位错和缺陷密度的同时尽快生长出更大尺寸的SiC单晶衬底。这就需要通过改善单晶生长设备并进行热场分析，通过研究位错和缺陷形成机理不断降低SiC材料的位错和缺陷密度，通过改进单晶生长技术来降低成本等。SiC器件将大举进入电子电力市场，预计到2020年，SiC功率器件将分别获得14%和8%的市场份额。未来电子电子器件市场发展将更多集中到技术创新上。5.总结近二十年来碳化硅材料由于起许多优势开始被重视，由于碳化硅器件设计理论有所突破，人们对高性能的半导体器件的期望越来越迫切。随着效率的潜在收益的增加，宽禁带材料的功率密度使最终溶液减小尺寸和重量，在更高的开关速度。在宽禁带区能被普遍接受的观点是阻断1200V以上的电压碳化硅会更强，SiC会在效率，温度和功率密度备受关注的应用中找到自己位置，因