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半导体SiC材料,发展历史简介 基本制备方法 --体单晶生长 --薄膜生长 SiC半导体的优势,SiC的发展历史,1824--瑞典科学家Berzelius在人工合成金刚石的过程中观察到SiC 1885--Acheson第一次生长出SiC 晶体 1907--英国电子工程师Round制造出了第一支SiC 的电致发光二极管 1959--荷兰Lely 发明了一种采用升华法生长高质量单晶体的新方法 1978-- 俄罗斯科学家Tairov 和Tsvetkov 发明了改良的Lely 法 1979--SiC蓝色发光二极管 1981-- Matsunami 发明了Si 衬底上生长单晶SiC 的工艺技术 1991--Cree Research Inc 用改进的Lely法生产出6H-SiC 1994--获得4H-SiC 晶片,美国Cree公司，1997年实现2英寸6H-SiC单晶的市场化，2000年实现4英寸6H-SiC单晶的市场化 2007 年 5 月 23 日 ，Cree 展示 100 毫米零微管碳化硅基底 2007 年 10 月 15 日 ，Cree 发布商业化生产版的 100 毫米零微管碳化硅基底 2010 年 8 月 30 日 ，Cree 展示高品质的 150 毫米碳化硅基片,SiC的基本制备工艺,体单晶生长 Acheson法（石英砂+C） 尺寸很小的多晶SiC Lely 法（热升华，无籽晶） 尺寸小的 较高质量单晶 200mm2 改良的Lely 法（籽晶升华技术，运输物理气相PVT） 更容易控制，避免多晶形核,Lely法以及改进lely法示意图,Lely 法 至1955年, Lely用无籽晶升华法生长出了针状3c-SiC孪晶.在这种方法中,生长的驱动力是坩埚内的温度梯度.整个反应体系接近于化学平衡态,由SiC升华形成的各种气相组分的分压随温度升高而增大,从而形成一个压力梯度,引起坩埚中从热区域向冷区域的质量输运.坩埚内的多孔石墨为无数小晶核提供成核中心,晶体就在这些晶核上生长和长大.晶体质量很高,例如其微管等缺陷的密度与其他生长方法相比至少低一个数量级，此法至今还被用于生长高质量的SiC单晶.不过, Lely法生长的晶体尺寸太小(目前最大仅能达到200 mm2),且形状不规则,一般为针状.,改良的Lely 法 70年代末至80年代初, Tairov和Tsvetkov等对Lely法进行了改进, 实现了籽晶升华生长.籽晶升华技术又称为物理气相输运技术(phys-ical vapor transport, PVT).它和Lely法的区别在于增加一个籽晶,从而避免了多晶成核,更容易对单晶生长进行控制.该法现在已成为生长SiC体单晶的标准方法.其基本原理是:首先多晶SiC在高温(1 800~2 600℃)和低压下升华,产生的气相物质(Si,Si2C,SiC2)在温度梯度的驱动下到达温度较低的籽晶处,因产生过饱和度而在其上结晶.生长体系中可以改变的最重要因素是坩埚的设计及与之相关的温度分布.,薄膜生长（衬底，同质、异质外延生长） CVD法 升华外延生长 脉冲激光沉淀法（PLD） 液相外延法（LPE）,C V D 法 C V D 法由于生长温度低、反应条件易于控制、成膜均匀等优点成为目前制备结晶态SiC 薄膜材料及器件的主要方法,通常采用含Si 和C 的气体作为反应源,H2 或Ar 作为稀释和输送气体,衬底用射频感应电炉加热,通常选单晶硅片作为衬底, 因为它成本低、纯度高、生长重复性好。

但是SiC 与Si 晶格失配与热膨胀失配比较大,分别为20％和8％左右，因此在SiC ／ Si 界面上会出现高密度的失配位错和堆垛位错等,这些缺陷会引起杂质的重新分配,杂质散射的增大,降低载流子迁移率近年来,为了获得高质量的SiC膜,人们一方面努力改进以Si为衬底的外延生长技术,另一方面也发展了SiC取代Si作为衬底的外延生长技术脉冲激光淀积法(PLD) 脉冲激光束照射靶材,使之汽化蒸发.在高温瞬间蒸发出来的粒子中,除中性原子和分子碎片外,还有大量的离子和电子,所以在靶表面附近立即形成一个等离子区等离子体沿垂直于靶面的方向进行膨胀,形成一个细长的等离子区.膨胀后的等离子区迅速冷却,其中的离子最后在靶对面的衬底上凝结成膜.,,,激光,,,靶材,衬底,等离子区,SiC半导体的优势,(1)SiC 是一种宽带隙半导体,不同的结晶状态有不同的带隙,可以用作不同颜色的发光材料如六角晶体SiC 的带隙约为3eV,可以用作蓝光LED 的发光材料;立方晶体SiC 的带隙为2.2eV,可以用作绿色LED 的发光材料由于带隙不同,它们呈现出不同的体色,立方晶系透射和反射出黄色,六角晶系呈无色; (2)SiC材料不同的结晶形态决定其禁带宽度的不同,但均大于Si 和GaAs 的禁带宽度,大大降低了SiC 器件的泄漏电流,加上SiC 的耐高温特性,使得SiC 器件在高温电子工作方面具有独特的优势; (3)SiC 三倍于Si 的热导率使它具有优良的散热性,有助于提高器件的功率密度和集成度; SiC 具有很高的临界击穿电场,它大约是Si材料的十倍,用它作成的器件可以很大的提高耐压容量、工作频率和电流密度, 也大大降低了器件的导通损耗; (4)SiC 两倍于Si 的电子饱和漂移速度使SiC 器件具有优良的微波特性,可以很大的改善通信、雷达系统的性能,而且SiC 器件的高温高功率特性使它能够满足在航空航天、国防安全等特殊环境的工作需要 (5)SiC材料的高硬度和高化学稳定性使它具有极高的耐磨性,可以在很恶劣的环境下工作。