半导体材料5宽禁带半导体材料课件.ppt

第五章第五章宽禁带半导体材料宽禁带半导体材料第1页，共69页n宽禁带材料：亦称为第三代半导体材料，宽禁带材料：亦称为第三代半导体材料，指禁带宽度大于指禁带宽度大于2.3eV（3.2eV）的半导体）的半导体材料n包括：氮化镓、碳化硅、硒化锌、硫化锌、包括：氮化镓、碳化硅、硒化锌、硫化锌、金刚石、氧化锌和金刚石、氧化锌和C-氮化硼等材料氮化硼等材料第2页，共69页半导体材料的基本性能比较一半导体材料的基本性能比较一第3页，共69页半导体材料的基本性能比较二半导体材料的基本性能比较二第4页，共69页宽禁带材料的特性宽禁带材料的特性n禁带宽度大、高临界击穿电场强度、高热禁带宽度大、高临界击穿电场强度、高热导率、高电子饱和漂移速度导率、高电子饱和漂移速度n化学性能稳定、热稳定性好化学性能稳定、热稳定性好n适于制作高温、高频、大功率、抗辐射等适于制作高温、高频、大功率、抗辐射等极端电子学器件极端电子学器件nC-BN和金刚石更胜一筹和金刚石更胜一筹第5页，共69页总能量总能量计算机计算机4%1997:40%2010:80%照明照明21%40%电能电能其他其他20%电机驱动电机驱动55%电能电能*EPRI数据数据第6页，共69页。

随着开关随着开关频频率的提高，率的提高，电电源的体源的体积积将将缩缩小小10倍左右，而倍左右，而损损耗将降低耗将降低2倍采用新一代功率器件后，采用新一代功率器件后，电电力力损损耗将至耗将至现现有的硅器件的有的硅器件的30%以下宽禁带电力电子器件：宽禁带电力电子器件：提高效率并实现小型化7第7页，共69页第8页，共69页第9页，共69页GaNGaN与与SiCSiC电力电子器件的关系电力电子器件的关系SiC易于制作垂直器件适用于易于制作垂直器件适用于1200V以以上高上高电压电压高高电电流流领领域域GaN易于制作平面器件易于制作平面器件适用于适用于900V以下以下应应用用领领域域可以制可以制备纯净备纯净SiC体材料体材料SiC电电力力电电子起步早、更成熟子起步早、更成熟GaN原材料可以依托原材料可以依托庞庞大的大的LED照明照明产业产业，成本，成本较较低低SiC材料的制材料的制备备消耗大量能源消耗大量能源成本成本较较高高可在可在8寸硅片上生寸硅片上生长长成本低，易成本低，易于大于大规规模模产业产业化化SiC器件的制作工器件的制作工艺温度高达温度高达1200 需要特殊需要特殊设备器件制作需要的器件制作需要的设备设备可借助于硅工可借助于硅工业业，易于大，易于大规规模模产业产业化化10第10页，共69页。

交通信号交通信号全彩色全彩色 LED 大屏幕大屏幕汽车光源汽车光源第11页，共69页n碳化硅（碳化硅（SiC）为第三代宽带隙半导体材料为第三代宽带隙半导体材料nSiC的电学特性：宽禁带、高临界击穿电场、高热导率、高载流子的电学特性：宽禁带、高临界击穿电场、高热导率、高载流子饱和漂移速度饱和漂移速度n器件应用：制作在极端条件下使用或具有极端特性的所谓极端电子学器器件应用：制作在极端条件下使用或具有极端特性的所谓极端电子学器件，如高温、高频、大功率、抗辐射等器件，从而广泛应用于航空、件，如高温、高频、大功率、抗辐射等器件，从而广泛应用于航空、航天、雷达、通信、石油、化学、汽车、武器、核等行业航天、雷达、通信、石油、化学、汽车、武器、核等行业n由于由于6H-SiC与氮化镓的热膨胀系数接近、晶格失配度小，并且与氮化镓的热膨胀系数接近、晶格失配度小，并且6H-SiC化化学稳定性好、热导率高，适合作为外延生长氮化镓的衬底，在光电子和半学稳定性好、热导率高，适合作为外延生长氮化镓的衬底，在光电子和半导体照明工程领域有着广阔的应用前景导体照明工程领域有着广阔的应用前景从某种意义上讲从某种意义上讲SiC不仅是一种性能优异的半导体材料，而且还是一种不仅是一种性能优异的半导体材料，而且还是一种重要的国家战略物质。

重要的国家战略物质第12页，共69页5.1碳化硅晶体制备碳化硅晶体制备n碳化硅在常压下无液态，在常压碳化硅在常压下无液态，在常压2300左右、低压左右、低压2000以下即会直接升华为气体以下即会直接升华为气体在在3.5MPa的高压状的高压状态下，熔点为态下，熔点为283040，存在液相的碳化硅，但硅碳，存在液相的碳化硅，但硅碳比严重偏离化学计量比比严重偏离化学计量比n碳化硅不能用籽晶从熔体中生长，也不能用区熔法进行提碳化硅不能用籽晶从熔体中生长，也不能用区熔法进行提纯，只能用升华法直接从碳化硅蒸气生长块状晶体或薄层纯，只能用升华法直接从碳化硅蒸气生长块状晶体或薄层晶体，或用液相外延法从含碳熔体硅中生长碳化硅薄层晶晶体，或用液相外延法从含碳熔体硅中生长碳化硅薄层晶体，或利用有机硅化物或硅的氢化物与碳的氢化物进行气体，或利用有机硅化物或硅的氢化物与碳的氢化物进行气相化学反应淀积，生长各种形态碳化硅相化学反应淀积，生长各种形态碳化硅n碳化硅具有多种同质异构体，已发现的有碳化硅具有多种同质异构体，已发现的有200多种，不同的多种，不同的同质异构体生长的热力学条件差异极小同质异构体生长的热力学条件差异极小。

碳化硅晶体生长难度很大！碳化硅晶体生长难度很大！第13页，共69页Acherson法法n20世纪初提出，沿用至今，没有多大改变世纪初提出，沿用至今，没有多大改变n原料：硅砂或石英砂（原料：硅砂或石英砂（50%）、煤焦或石）、煤焦或石油焦（油焦（40%），加适量氯化钠添加剂），加适量氯化钠添加剂（10%）等n在高温电阻炉中熔炼，反应式：在高温电阻炉中熔炼，反应式：SiO2+3CSiC+2COn产物：碳化硅，晶粒小，纯度低，属于磨产物：碳化硅，晶粒小，纯度低，属于磨料和耐火材料，含有料和耐火材料，含有2-3cm的鳞状单晶片的鳞状单晶片不适合于在电子技术中应用不适合于在电子技术中应用第14页，共69页5.1.1升华法升华法1、改良、改良Lely法法SiC晶体生长系统晶体生长系统升华法典型生长装置示意图升华法典型生长装置示意图第15页，共69页nLely法的主要特点是不用引导晶体定向生长的籽晶，因而晶法的主要特点是不用引导晶体定向生长的籽晶，因而晶体尺寸小，形成线度不大（体尺寸小，形成线度不大（10mm）的针状或片状单晶体的针状或片状单晶体结晶类型与特性分散，很难满足器件研制的需要结晶类型与特性分散，很难满足器件研制的需要。

n改良改良Lely法的主要特征是使用了籽晶使得成核过程变法的主要特征是使用了籽晶使得成核过程变得可以控制，有利于克服同时生长多种同质异构体的得可以控制，有利于克服同时生长多种同质异构体的困难，也有助于生长大直径晶体困难，也有助于生长大直径晶体改良改良Lely法是当前制备碳化硅体单晶的主要方法！法是当前制备碳化硅体单晶的主要方法！第16页，共69页基于改良基于改良lely法的碳化硅晶体生长系统法的碳化硅晶体生长系统完整晶体生长系统的基本构成完整晶体生长系统的基本构成：n密封生长室，坩埚系统，加热电源，真空获取与真空密封生长室，坩埚系统，加热电源，真空获取与真空测控装置，坩锅移位与控制装置、温度测控装置、气测控装置，坩锅移位与控制装置、温度测控装置、气体馈送装置、以及冷却装置体馈送装置、以及冷却装置n石墨坩锅及其加热器是碳化硅晶体生长系统的核心石墨坩锅及其加热器是碳化硅晶体生长系统的核心部分部分第17页，共69页我校自制的我校自制的2英寸碳化硅晶体生长系统英寸碳化硅晶体生长系统第18页，共69页我校自制的我校自制的4英寸碳化硅晶体生长系统英寸碳化硅晶体生长系统第19页，共69页加热方式：电阻式和感应式加热加热方式：电阻式和感应式加热升华法制备碳化硅晶体的两种加热方式升华法制备碳化硅晶体的两种加热方式第20页，共69页。

n电阻式加热电阻式加热：加热速率慢，设计比较复杂，实际使用起来容易坏，并且加热加热速率慢，设计比较复杂，实际使用起来容易坏，并且加热系统放置在生长室内，容易带来污染，但加热的均匀度高系统放置在生长室内，容易带来污染，但加热的均匀度高n感应加热方式感应加热方式：1、可直接利用坩锅从交变电磁场感应生热，省去额外的感应加热可直接利用坩锅从交变电磁场感应生热，省去额外的感应加热器，使热系统更加简单、高效器，使热系统更加简单、高效；2、通过轴向移动坩埚或感应线圈改变二者的相对位置就可以改通过轴向移动坩埚或感应线圈改变二者的相对位置就可以改变坩锅内的温度分布以及源与生长表面间的温度梯度，实现对变坩锅内的温度分布以及源与生长表面间的温度梯度，实现对生长速率的控制；生长速率的控制；3、感应线圈置于生长室外，避免污染感应线圈置于生长室外，避免污染第21页，共69页坩埚系统坩埚系统n材料：由于碳化硅生长温度高，为材料：由于碳化硅生长温度高，为避免高温下的挥发物对晶体纯度的避免高温下的挥发物对晶体纯度的影响，坩埚及其周围绝热层只能使影响，坩埚及其周围绝热层只能使用石墨以及以石墨或碳为基础材料用石墨以及以石墨或碳为基础材料的制品。

的制品n坩埚的形状以及坩埚与线圈的相对位置坩埚的形状以及坩埚与线圈的相对位置决定了整个生长系统的温度分布，从而决定了整个生长系统的温度分布，从而影响晶体生长和晶体的质量影响晶体生长和晶体的质量典型的6H-SiC晶锭第22页，共69页线圈提高线圈提高50mm系统温度分布系统温度分布线圈在初始位置系统温度分布线圈在初始位置系统温度分布第23页，共69页生长速率生长速率第24页，共69页线圈在初始位置系统温度分布线圈在初始位置系统温度分布线圈降低线圈降低50mm系统温度分布系统温度分布第25页，共69页坩埚异形设计调节温度分布坩埚异形设计调节温度分布第26页，共69页2、生长原理、生长原理生长过程生长过程nSiC粉源的分解粉源的分解Si、Si2、Si3、C、C2、C3、SiC2、Si2C、Si2C3和和Si3C等等气相成分，其中以气相成分，其中以C、Si、SiC2和和Si2C为主要成分为主要成分n反应物质从粉源输运至晶体生长反应物质从粉源输运至晶体生长表面表面n结晶生长结晶生长第27页，共69页主要化学反应主要化学反应n原料的分解与升华原料的分解与升华:SiC(s)Si(g)+C(s)2SiC(s)Si(g)+SiC2(g)2SiC(s)C(s)+Si2C(g)n质量传输过程中石墨坩埚壁与质量传输过程中石墨坩埚壁与Si气体的反应气体的反应2C(s)+Si(g)SiC2(g)C(s)+2Si(g)Si2C(g)n籽晶表面上的结晶生长籽晶表面上的结晶生长Si2C(g)+SiC2(g)3SiC(s)Si(g)+SiC2(g)2SiC(s)第28页，共69页。

主要工艺参数主要工艺参数n控制碳化硅晶体生长速率和晶体品质的主要因素是控制碳化硅晶体生长速率和晶体品质的主要因素是温度，包括温度，包括升华源的温度升华源的温度、晶体生长表面的温度晶体生长表面的温度以及以及二者之间的温度梯度二者之间的温度梯度n生长气氛的总压力及其中各产物的分压也对晶体生长生长气氛的总压力及其中各产物的分压也对晶体生长有重要影响一般讲，气压越低，生长速率就越高有重要影响一般讲，气压越低，生长速率就越高第29页，共69页3、结晶品质控制、结晶品质控制1）晶格缺陷）晶格缺陷n缺陷密度高缺陷密度高(105/cm2)是长期困扰是长期困扰SiC晶体生长技术研发晶体生长技术研发人员的主要问题之一除孪晶、位错之外，还有比较特殊人员的主要问题之一除孪晶、位错之外，还有比较特殊的缺陷的缺陷微管微管n微管是一种沿着微管是一种沿着SiC晶体晶体C-轴方向排列、传播、繁殖并贯穿轴方向排列、传播、繁殖并贯穿整个整个SiC晶锭直径约为晶锭直径约为0.1-5m的管状缺陷，一般垂直于的管状缺陷，一般垂直于6H-SiC(0001)Si面另外衬底中的微管还会延伸到外延层面另外衬底中的微管还会延伸到外延层。