L9硅锗和硅基光电材料资料课件.ppt

§9 硅、硅、锗和硅基光和硅基光电材料材料 9.1 9.1 硅和锗元素半导体硅和锗元素半导体9.2 9.2 硅锗合金硅锗合金9.3 9.3  相相二硅化铁二硅化铁9.4 9.4 碳化硅碳化硅9/22/20241硅和锗元素半导体硅和锗元素半导体2.2.硅和锗的能带结构硅和锗的能带结构3. 硅和锗的杂质和缺陷硅和锗的杂质和缺陷I. 杂质能级杂质能级II. 晶体缺陷晶体缺陷4. 硅、锗的电输运性质硅、锗的电输运性质I. 热平衡载流子浓度热平衡载流子浓度II. 载流子迁移率载流子迁移率§§9 9 硅、锗和硅基光电材料硅、锗和硅基光电材料 9.1 硅和锗元素半导体硅和锗元素半导体1.1.硅和锗的基本参数硅和锗的基本参数9/22/20242§§9 9 硅、锗和硅基光电材料硅、锗和硅基光电材料 9.3  相相二硅化铁二硅化铁9/22/202439/22/202449/22/202459/22/202469/22/202479/22/202489/22/202499/22/2024109/22/2024119/22/2024129/22/2024139/22/2024149/22/2024159/22/202416硅锗合金硅锗合金§§9 9 硅、锗和硅基光电材料硅、锗和硅基光电材料 9.2 硅锗合金硅锗合金 SiGe合金是近年来兴起的新型半导体材料，合金是近年来兴起的新型半导体材料，它有许多独特的物理性质和重要的技术应它有许多独特的物理性质和重要的技术应用价值，并与硅的微电子技术兼容，被认用价值，并与硅的微电子技术兼容，被认为是第二代硅材料。

它使硅材料进入到人为是第二代硅材料它使硅材料进入到人工设计微结构材料的时代，使硅器件进入工设计微结构材料的时代，使硅器件进入到异质结构、能带工程时代，其工作领域到异质结构、能带工程时代，其工作领域已扩展到毫米波、超快速领域，光学探测已扩展到毫米波、超快速领域，光学探测已进入到已进入到1.3-1.55μm远红外波段远红外波段9/22/202417§§9 9 硅、锗和硅基光电材料硅、锗和硅基光电材料 9.2 硅锗合金硅锗合金•Ge的晶格常数的晶格常数a=0.5658nm•Si的晶格常数的晶格常数a=0.5431nm•Ge与与Si能够以任意比例互溶生长，所以在能够以任意比例互溶生长，所以在室温且室温且Ge摩尔分数摩尔分数x不是很高的情况下，不是很高的情况下，体体SiGe合金的晶格常数随组分比合金的晶格常数随组分比x呈线性呈线性变化•Ge与与Si的晶格失配率的晶格失配率4.2%，，Si1-xGex合金合金与与Si之间的晶格失配率可以通过合金组分之间的晶格失配率可以通过合金组分x来人为调节，从而得到人们所期望的异来人为调节，从而得到人们所期望的异质结结构。

质结结构 9/22/202418§§9 9 硅、锗和硅基光电材料硅、锗和硅基光电材料 9.2 硅锗合金硅锗合金•SiGe合金的带隙宽度和晶格常数可以根据组分含量的不同线性调节•SiGe的工艺可以和现有的Si材料工艺兼容•超晶格技术使SiGe材料具有了许多特殊的性能，具有广阔的应用前景 9/22/202419§§9 9 硅、锗和硅基光电材料硅、锗和硅基光电材料 9.2 硅锗合金硅锗合金Ge content dependence of energy band gap of strained SiGe grown on Si substrates. HH and LH represent band gaps for heavy and light hole bands. That of unstrained SiGe is also shown as reference.9/22/202420§§9 9 硅、锗和硅基光电材料硅、锗和硅基光电材料 9.2 硅锗合金硅锗合金Band modification of tensilely strained Si and compressively strained SiGe. SO represents the spin-orbit splitting band (after Hinckley and Singh). 9/22/202421§§9 9 硅、锗和硅基光电材料硅、锗和硅基光电材料 9.2 硅锗合金硅锗合金Valence bands of bulk Si and compressively strained Si0.6Ge0.4. 9/22/202422§§9 9 硅、锗和硅基光电材料硅、锗和硅基光电材料 9.2 硅锗合金硅锗合金Band alignment of Si/Ge hetero-structures under various strains: (a) compressively strained SiGe on Si substrate (type-I) and (b) tensilely strained Si and compressively strained Ge on unstrained SiGe (type-II).9/22/202423§§9 9 硅、锗和硅基光电材料硅、锗和硅基光电材料 9.2 硅锗合金硅锗合金应变应变SiGe薄膜的应用薄膜的应用 在在SiGe合金中合金中, 电子迁移率几乎是纯电子迁移率几乎是纯Si的的两倍两倍(Ge中电子迁移率是中电子迁移率是3900cm2/V·s，，Si中电子迁移率是中电子迁移率是1500cm2/V ·s，，Ge 中中空穴迁移率是空穴迁移率是1900cm2/V·s，，Si 中空穴迁中空穴迁移率是移率是475cm2/V·s)。

而且由于应力引起而且由于应力引起能带结构的变化，使应变能带结构的变化，使应变SiGe薄膜中电子薄膜中电子和空穴载流子迁移率增大和空穴载流子迁移率增大9/22/202424§§9 9 硅、锗和硅基光电材料硅、锗和硅基光电材料 9.2 硅锗合金硅锗合金•SiGe/Si HBT ：电流增益显著提高；基区掺杂浓度可以做得很高；工作频率得到很大提高(截至频率最高达到375GHz)用于WLAN、蓝牙、移动终端设备、卫星广播、光纤通信、雷达等•SiGe MODFET和和CMOSFET ：张应变的Si中的电子和压应变SiGe中的空穴的迁移率比无应变Si层中的电子和空穴迁移率提高3～5倍，用于高速设备 9/22/202425§§9 9 硅、锗和硅基光电材料硅、锗和硅基光电材料 9.2 硅锗合金硅锗合金•Si-Ge在光电转换、热电转换、红外器件等领域，具有极优良的特点 •SiGe 在半导体光电子领域特别是光电集成领域也有着巨大的应用潜力。

9/22/202426§§9 9 硅、锗和硅基光电材料硅、锗和硅基光电材料 9.2 硅锗合金硅锗合金9/22/202427§§9 9 硅、锗和硅基光电材料硅、锗和硅基光电材料 9.2 硅锗合金硅锗合金•SiGe异质结构的制备方法主要有异质结构的制备方法主要有MBE和和CVDSiGe应变层材料的生长技术主要是分子束外延应变层材料的生长技术主要是分子束外延(MBE)和化学气相淀积和化学气相淀积(CVD)• MBE技术不适合工业化大生产技术不适合工业化大生产 ，工业界采用，工业界采用的的SiGe层外延设备主要有层外延设备主要有UHVCVD(Ultra high vacuum chemical vapor deposition) ，， RPCVD(Reduced-pressure chemical vapor deposit ion) ，，APCVD(Atmospheric-pressure chemical vapor deposition )，，VLPCVD(Very low pressure chemical vapor deposition )以及以及PHOTOCVD 9/22/202428§§9 9 硅、锗和硅基光电材料硅、锗和硅基光电材料 9.2 硅锗合金硅锗合金The growth rate R SiGe of GSMBE Si1-xGex(0 0 1) layers with x = 0, 0.07, and 0.18 as a function of temperature Ts. The solid lines are calculated9/22/202429§§9 9 硅、锗和硅基光电材料硅、锗和硅基光电材料 9.2 硅锗合金硅锗合金 用两种禁带宽度不同的材料A和B构成两个距离很近的背靠背异质结B/A/B…，若材料A是窄带半导体，且其导带底低于材料B的导带底，当其厚度小于电子平均自由程时，电子被约束在材料A中，形成以材料B为电子势垒、材料A为电子势阱的量子阱。

量子阱量子阱9/22/202430§§9 9 硅、锗和硅基光电材料硅、锗和硅基光电材料 9.2 硅锗合金硅锗合金多量子阱多量子阱•如果以各自不变的厚度将上述如果以各自不变的厚度将上述A、、B两种薄两种薄层材料周期性的叠加在一起，即连续地重层材料周期性的叠加在一起，即连续地重复生长多个阱，形成复生长多个阱，形成B/A/B/A…结构，且结构，且A层的厚度层的厚度dA远小于远小于B层厚度层厚度dB，则该结构，则该结构称为多量子阱称为多量子阱•在多量子阱结构中，必须保证势垒的厚度在多量子阱结构中，必须保证势垒的厚度dB必须足够大，以保证一个势阱中的电子必须足够大，以保证一个势阱中的电子不能穿透势垒层进入另一个势阱不能穿透势垒层进入另一个势阱9/22/202431§§9 9 硅、锗和硅基光电材料硅、锗和硅基光电材料 9.2 硅锗合金硅锗合金什么是超晶格什么是超晶格? 江江崎崎等等在在1970年年第第一一次次提提出出超超晶晶格格的的概概念念。

超超晶晶格格材材料料是是由由两两种种或或两两种种以以上上性性质质不不同同的的薄薄膜膜相相互互交交替替生生长长而而形形成成的的多多层层结结构构的的晶晶体体在在这这种种超超晶晶格格材材料料中中，，人人们们可可以以任任意意改改变变薄薄膜膜的的厚厚度度，，控控制制它它的的周周期期长长度度一一般般来来说说，，它它的的周周期期长长度度比比各各薄薄膜膜单单晶晶的的晶晶格格常常数数大大几几倍倍或或更更长长，，因因而而取取得得“超晶格超晶格”的名称9/22/202432§§9 9 硅、锗和硅基光电材料硅、锗和硅基光电材料 9.2 硅锗合金硅锗合金 半导体的超晶格结构与多量子阱结构有半导体的超晶格结构与多量子阱结构有些相似，也是由些相似，也是由A、、B两种材料以各自不变两种材料以各自不变的厚度周期性的叠加在一起而形成的不的厚度周期性的叠加在一起而形成的不同的是超晶格结构中相邻势垒层较薄同的是超晶格结构中相邻势垒层较薄9/22/202433§§9 9 硅、锗和硅基光电材料硅、锗和硅基光电材料 9.2 硅锗合金硅锗合金•组分超晶格：超晶格材料中的一个重复单组分超晶格：超晶格材料中的一个重复单元是由不同材料的薄膜所构成元是由不同材料的薄膜所构成•掺杂超晶格：同一半导体材料中，用交替掺杂超晶格：同一半导体材料中，用交替改变掺杂类型的方法构成的半导体超晶格改变掺杂类型的方法构成的半导体超晶格9/22/202434§§9 9 硅、锗和硅基光电材料硅、锗和硅基光电材料 9.2 硅锗合金硅锗合金 按照组成材料的晶格匹配程度，可分为晶按照组成材料的晶格匹配程度，可分为晶格匹配量子阱与超晶格和应变量子阱和应变超格匹配量子阱与超晶格和应变量子阱和应变超晶格。

晶格 按照组成材料的成分，可分为固定组分的按照组成材料的成分，可分为固定组分的量子阱与超晶格、组分渐变量子阱与超晶格以量子阱与超晶格、组分渐变量子阱与超晶格以及调制掺杂的组分的量子阱与超晶格及调制掺杂的组分的量子阱与超晶格半导体超晶格、量子阱的分类半导体超晶格、量子阱的分类9/22/202435§§9 9 硅、锗和硅基光电材料硅、锗和硅基光电材料 9.2 硅锗合金硅锗合金 半导体超晶格、量子阱的能带结构取决于半导体超晶格、量子阱的能带结构取决于组成材料的物理化学性能以及界面附近的组成材料的物理化学性能以及界面附近的晶体结构在异质结物理中，一般将组成晶体结构在异质结物理中，一般将组成材料的晶格常数失配度小于材料的晶格常数失配度小于0.5%时的搭配时的搭配称为晶格匹配，大于称为晶格匹配，大于0.5%时则视为晶格失时则视为晶格失配半导体超晶格、量子阱的能带结构特点半导体超晶格、量子阱的能带结构特点Ø晶格匹配的半导体超晶格和量子阱晶格匹配的半导体超晶格和量子阱Ø应变量子阱和应变超晶格应变量子阱和应变超晶格9/22/202436§§9 9 硅、锗和硅基光电材料硅、锗和硅基光电材料 9.2 硅锗合金硅锗合金应变超晶格应变超晶格 这种量子阱或超晶格是通过结构薄层双方或这种量子阱或超晶格是通过结构薄层双方或其中之一的晶格常数的有限改变来补偿晶格失其中之一的晶格常数的有限改变来补偿晶格失配的。

它是由晶格常数差别很大的两种超薄层配的它是由晶格常数差别很大的两种超薄层材料交替组成的超晶格结构，两种组成材料的材料交替组成的超晶格结构，两种组成材料的晶格失配度高达晶格失配度高达7%，但是只要各层的厚度不，但是只要各层的厚度不超出一定的临界值，则层间晶格的失配可由晶超出一定的临界值，则层间晶格的失配可由晶格的弹性形变来调节，而不会在界面产生失配格的弹性形变来调节，而不会在界面产生失配位错，位错， Si/GeSi量子阱和超晶格是其中的典型量子阱和超晶格是其中的典型应变超晶格扩大了可选择材料的范围，其能带应变超晶格扩大了可选择材料的范围，其能带结构及相关的光、电性能又可通过应力，层厚结构及相关的光、电性能又可通过应力，层厚和合金组分改变来调节和合金组分改变来调节9/22/202437§§9 9 硅、锗和硅基光电材料硅、锗和硅基光电材料 9.2 硅锗合金硅锗合金9/22/202438§§9 9 硅、锗和硅基光电材料硅、锗和硅基光电材料 9.3  相相二硅化铁二硅化铁 β-FeSi2是是少少数数半半导导体体型型金金属属硅硅化化物物之之一一，，20世世纪纪50年年代代，，β-FeSi2作作为为耐耐高高温温的的高高热热电电转转换换效效率率材材料料而而备备受受关关注注，，具具有有半半导导体体性性质质的的β-FeSi2薄薄膜膜的的研研究究始始于于20世世纪纪80年年代代中中期期。

近近年年来来人人们们发发现现它它还还是是一一种种很很有有应应用用前前景景的的光光电电材材料料，，并并开开始始广广泛泛研研究究基基于于 β - F e S i2薄薄 膜膜 的的 微微 电电 子子 器器 件件  相相二硅化铁二硅化铁 ( (ββ-FeSi-FeSi2 2) )9/22/202439§§9 9 硅、锗和硅基光电材料硅、锗和硅基光电材料 9.3  相相二硅化铁二硅化铁 β—FeSi2的晶体结构的晶体结构FeSia=7.791Å Åb=7.833Å Åc=9.863Å Åzxy7 7层层FeFe原子原子5 5层层SiSi原子原子(1) β-FeSi(1) β-FeSi2 2的基本性质的基本性质9/22/202440§§9 9 硅、锗和硅基光电材料硅、锗和硅基光电材料 9.3  相相二硅化铁二硅化铁 Fe—Si系平衡相图系平衡相图9/22/202441§§9 9 硅、锗和硅基光电材料硅、锗和硅基光电材料 9.3  相相二硅化铁二硅化铁Si,GaAs,Si,GaAs,β-FeSiβ-FeSi2 2 三代半导体材料比较表三代半导体材料比较表 材料材料β-FeSiβ-FeSi2 2GaAsGaAsSiSi晶格结构晶格结构正交晶系正交晶系闪锌矿型闪锌矿型金刚石型金刚石型能带结构能带结构直接带隙直接带隙直接带隙直接带隙间接带隙间接带隙禁带宽度禁带宽度0.87eV0.87eV1.43eV1.43eV1.12eV1.12eVSiSi衬底外延衬底外延可以可以困难困难同质同质光吸收率光吸收率>10>105 5cmcm-1-1～～10104 4cmcm-1-1～～10103 3cmcm-1-1折射率折射率5.65.63.73.73.53.5热稳定性热稳定性～～9309300 0C C～～6006000 0C C140014000 0C C以上以上化学稳定性化学稳定性高高低低高高对环境影响对环境影响小小大大小小资源资源丰富丰富缺乏缺乏丰富丰富价格价格低低高高低低9/22/202442§§9 9 硅、锗和硅基光电材料硅、锗和硅基光电材料 9.3  相相二硅化铁二硅化铁(2) β-FeSi2的物理性质的物理性质 作为热电材料，作为热电材料，β-FeSi2具有在具有在200℃℃～～900℃℃温度范围温度范围内的高温热电转换功能，其还有抗氧化、无毒、来源丰内的高温热电转换功能，其还有抗氧化、无毒、来源丰富、成本低廉等优点。

富、成本低廉等优点 作为光电材料，作为光电材料，β-FeSi2具有具有0.85eV～～0.89eV的直接的直接带隙，对于红外波长有很高的吸收率，理论的光电转换效带隙，对于红外波长有很高的吸收率，理论的光电转换效率可达率可达16％～％～23％，仅次于晶体硅，尤其是％，仅次于晶体硅，尤其是β-FeSi2所对所对应的特征区正是硅的全透明区，它也是光纤通信中的最重应的特征区正是硅的全透明区，它也是光纤通信中的最重要波段，有利于同新型光电器件和光纤的结合要波段，有利于同新型光电器件和光纤的结合9/22/202443§§9 9 硅、锗和硅基光电材料硅、锗和硅基光电材料 9.3  相相二硅化铁二硅化铁 β-FeSi2薄膜光吸收系数与光子能量的关系薄膜光吸收系数与光子能量的关系9/22/202444§§9 9 硅、锗和硅基光电材料硅、锗和硅基光电材料 9.3  相相二硅化铁二硅化铁(3) β-FeSi2的掺杂的掺杂 一般未掺杂的一般未掺杂的β-FeSi2是是p型半导体，而型半导体，而掺杂可以使载流子的浓度增大，降低材料掺杂可以使载流子的浓度增大，降低材料的电阻率。

用元素周期表中的电阻率用元素周期表中Fe右边的元素右边的元素如如Co、、Ni、、Pt等取代部分等取代部分Fe原子，可制成原子，可制成n型半导体，型半导体，Fe左边的元素如左边的元素如Mn、、Cr、、V、、Ti等取代部分等取代部分Fe原子，可制成原子，可制成p型半导体，型半导体，用用ⅢⅢ主族的元素取代主族的元素取代Si也可以制成也可以制成p型材料9/22/202445§§9 9 硅、锗和硅基光电材料硅、锗和硅基光电材料 9.3  相相二硅化铁二硅化铁￿ ￿￿ ￿1 1. . 直接带隙能带结构直接带隙能带结构 2. 2. 自然资源丰富自然资源丰富 3. 3. 环境友好材料环境友好材料 4. 4. 禁带宽度与光线通信低损耗窗口对应禁带宽度与光线通信低损耗窗口对应 5. 5. 可以在可以在SiSi衬底上外延生长，能利用衬底上外延生长，能利用SiSi器件器件 的成熟工艺的成熟工艺 6. 6. 光吸収係数光吸収係数大，塞贝克系数大大，塞贝克系数大 7.7. 用途：发光器件，光探测器，太阳能电用途：发光器件，光探测器，太阳能电 池，热电转换器件等池，热电转换器件等为何要研究为何要研究ββ-FeSi-FeSi2 2 ？？9/22/202446§§9 9 硅、锗和硅基光电材料硅、锗和硅基光电材料 9.3  相相二硅化铁二硅化铁0.000000010.00000010.0000010.000010.00010.0010.010.11HLiBNFNaAlPClKScVMn Co Cu Ga AsBrRbYNb Tc Rh AgInSbI￿Cs LaPrHHeLiBeBCNO OFNeNaMgAlAlSiSii iCaCaFeFeKTiMnPSClArScVCrGeCoCoNiNiCuCuZnSrAsAsBrSeRbYZrNbMoTcRuRhPdAgCdInInSnSbTeIXeCsBaLaCePrNdKr　地地壳壳中中的的元素存在比元素存在比存存在在比比（ （对对数数） ）元素元素GaGa9/22/202447§§9 9 硅、锗和硅基光电材料硅、锗和硅基光电材料 9.3  相相二硅化铁二硅化铁Schematic of the LED structure D. Leong, M. Harry, K. J. Reeson & K. P. HomewoodNATURE, VOL 387, 12 JUNE 1997, p686 By IBS9/22/202448§§9 9 硅、锗和硅基光电材料硅、锗和硅基光电材料 9.3  相相二硅化铁二硅化铁Spectrum of electroluminescence intensity against wavelength,measured at 80 K. The forward current through the device was 15 mA.D. Leong, M. Harry, K. J. Reeson & K. P. HomewoodNATURE, VOL 387, 12 JUNE 1997, p6869/22/202449§§9 9 硅、锗和硅基光电材料硅、锗和硅基光电材料 9.3  相相二硅化铁二硅化铁EL spectra measured at room temperature under several forward bias currents. T. Suemasu, Jpn. J. Appl. Phys., 39, L1013 (2000) by MBE9/22/202450§§9 9 硅、锗和硅基光电材料硅、锗和硅基光电材料 9.4 碳化碳化硅硅SiC抗辐射、低散射，抗辐射、低散射，热导率较高热导率较高密度较低，密度较低，强度、硬度较高强度、硬度较高具有较宽的禁带和具有较宽的禁带和较高的电子饱和较高的电子饱和漂移速度漂移速度环境友好，地球储藏量大环境友好，地球储藏量大热膨胀系数低热膨胀系数低抗热震和抗氧化抗热震和抗氧化性能非常好性能非常好作为极端电子学材料的作为极端电子学材料的SiCSiC器件广泛应用于半导体、光学、信息储存等领域。

器件广泛应用于半导体、光学、信息储存等领域碳化硅碳化硅 ( (SiCSiC) )9/22/202451§§9 9 硅、锗和硅基光电材料硅、锗和硅基光电材料 9.4 碳化碳化硅硅 SiC具具有有250种种同同型型异异构构体体，，每每种种同同型型异异构构体体的的C/Si双双原原子子层的的堆堆垛次次序序不不同同最最常常见的的同同型型异异构构体体为立立方方密密排排的的3C-SiC和和六六方方密密排排的的4H、、6H-SiC，，其其中中数数字字代代表堆表堆垛周期中的双原子周期中的双原子层数 立立方方结构构SiC通通常常称称β-SiC，，六六方方结构构SiC通称通称为α-SiC9/22/202452§§9 9 硅、锗和硅基光电材料硅、锗和硅基光电材料 9.4 碳化碳化硅硅其其中中，，β-SiC是是唯唯一一具具有有闪锌矿结构构的的化化合合物物半半导体体，，其其电子子迁迁移移率率是是SiC中中最最高高的的，，其其热导率率和和高高临界界击穿穿电场可可以以提提高高器器件件的的集集成成度度，，因因此此，，β-SiC是是高高温温、、大大功功率率和和高高速速器器件件中中的的首首选材料。

材料9/22/202453§§9 9 硅、锗和硅基光电材料硅、锗和硅基光电材料 9.4 碳化碳化硅硅晶型晶型βα3C6H4H15R原子排列原子排列ABCABCACBABCBABCACBC晶格常数晶格常数(Ǻ)a=4.3596a=3.0807c=15.1174a=3.076c=10.048a=3.037c=37.30禁带宽度禁带宽度(eV) 300K 6K2.202.4022.863.0903.2803.020电子迁移率电子迁移率300K(cm2/V·s)>1000460700500折射率折射率(hν~2eV)2.642.65介电常数介电常数 ε∞ ε06.529.726.52 9.66 9/22/202454§§9 9 硅、锗和硅基光电材料硅、锗和硅基光电材料 9.4 碳化碳化硅硅几种半导体材料有关参数比较几种半导体材料有关参数比较SiGaAs 3C-SiC6H-SiC4H-SiC金金刚石石GaN禁禁带宽度度(eV)300K 1.111.432.393.023.265.63.3最高工作温度最高工作温度(K)60076012001580172028001930熔点熔点(C)14201240>2100升升华33001800击穿穿场强强(106/cm)0.250.262.122.22.5107.5热导率率(W/cm)1.50.4554.94.9201.3饱和和电子漂移速度子漂移速度(107cm/s)122.5222.72.0介介电常数常数11.912.89.89.89.85.79.59/22/202455§§9 9 硅、锗和硅基光电材料硅、锗和硅基光电材料 9.4 碳化碳化硅硅特性特性应用应用宽带隙宽带隙●异质结双极晶体管中高的注入功率异质结双极晶体管中高的注入功率●LED中发射高能量光（蓝光）中发射高能量光（蓝光）●高温工作的电子器件，飞机中的机电致动器，高温工作的电子器件，飞机中的机电致动器，深层钻井的传感器。

深层钻井的传感器●激光二极管和激光二极管和HEMT中的载流子限制中的载流子限制高击穿高击穿电场电场●高压大功率开关二极管、晶体管可控高压大功率开关二极管、晶体管可控Si、电、电涌抑制器涌抑制器●空间应用的大功率空间应用的大功率MOSEFET高的热高的热导率导率●良好热好散的大功率器件良好热好散的大功率器件●高的器件集成度高的器件集成度●作为作为Si/C衬底材料提供高的热耗散衬底材料提供高的热耗散高的饱高的饱和电子和电子●雷达应用的微波功率晶体管雷达应用的微波功率晶体管●快速开关二极管快速开关二极管●超精度微细加工超精度微细加工9/22/202456§§9 9 硅、锗和硅基光电材料硅、锗和硅基光电材料 9.4 碳化碳化硅硅化学气相沉积法化学气相沉积法(CVD)溅射法溅射法(spurting)液相外延法液相外延法(LPE)分子束外延分子束外延(MBE)法法激光剥离法激光剥离法(laser ablation)升华法升华法(sublimation epitaxy)9/22/202457§§9 9 硅、锗和硅基光电材料硅、锗和硅基光电材料 9.4 碳化碳化硅硅1.廉价的衬底：廉价的衬底：采用的衬底大采用的衬底大致分为透明导致分为透明导电衬底和不透电衬底和不透明导电衬底两明导电衬底两大类。

大类薄膜制备方法薄膜制备方法的发展方向的发展方向2.低温衬底生长：低温衬底生长：在较低温的衬底上在较低温的衬底上实现实现SiC的低温生的低温生长，提高长，提高SiC薄膜薄膜器件的生长质量成器件的生长质量成为当前该领域人们为当前该领域人们极为关注的方向极为关注的方向9/22/202458§§9 9 硅、锗和硅基光电材料硅、锗和硅基光电材料 9.4 碳化碳化硅硅HFCVD法制法制备SiC薄膜薄膜HFCVD沉积沉积SiC薄膜的模型薄膜的模型 HFCVD设备装置简图设备装置简图HFCVD法：利用法：利用热钨丝的高温的高温对气源气源进行分解，然后利用分行分解，然后利用分解解产生的原子和原子生的原子和原子团在在较低温度的低温度的衬底上沉底上沉积生生长，是解决，是解决低温生低温生长的有效方法的有效方法9/22/202459§§9 9 硅、锗和硅基光电材料硅、锗和硅基光电材料 9.4 碳化碳化硅硅传统方法存在的缺点传统方法存在的缺点一些化学气相沉一些化学气相沉积，，诸如等离子体增如等离子体增强强的反的反应沉沉积（（PECVD）等都存在着以下的）等都存在着以下的问题：：l) 沉沉积速率速率过低，很低，很难在高沉在高沉积速率下速率下获得器件得器件级质量的材料；量的材料；2) 由于射由于射频等离子体的等离子体的驻波存在而波存在而导致大面致大面积衬底底上沉上沉积的薄膜材料均匀性的薄膜材料均匀性较差；差；3) 等离子能量太高，等离子能量太高，样品受等离子或品受等离子或诱导电荷的荷的损伤，不利于低缺陷密度的高，不利于低缺陷密度的高质量薄膜；量薄膜；4) 样品台品台处在在电子子势场中，中，这样使得沉使得沉积装置装置设计复复杂化。

化9/22/202460§§9 9 硅、锗和硅基光电材料硅、锗和硅基光电材料 9.4 碳化碳化硅硅1.2衬底生长温度衬底生长温度低（避免了衬低（避免了衬底温度高引起底温度高引起的自掺杂）可的自掺杂）可提供高能量活提供高能量活性沉积基团，性沉积基团，促使薄膜网络促使薄膜网络充分驰豫，有充分驰豫，有利于低温晶化利于低温晶化3可避免辉光放可避免辉光放电方法中离子电方法中离子对生长表面的对生长表面的损伤，是无离损伤，是无离子轰击的子轰击的“软软”反应HFCVD所具备的优点所具备的优点工艺、设备简工艺、设备简单，制备成本单，制备成本低廉，稳定性低廉，稳定性好高温钨丝可使高温钨丝可使硅烷充分分解，硅烷充分分解，薄膜生长速率薄膜生长速率高，可控参数高，可控参数较多，反应条较多，反应条件易于控制件易于控制9/22/202461§§9 9 硅、锗和硅基光电材料硅、锗和硅基光电材料 9.4 碳化碳化硅硅 随着功率器件、微波器件的不断随着功率器件、微波器件的不断发展，展，传统的的Si材料由于材料本身的性能缺陷，在此材料由于材料本身的性能缺陷，在此领域越来越域越来越显示出一定的局限性。

同示出一定的局限性同时，，SiC材料近年来在材材料近年来在材料制料制备、外延生、外延生长等方面取得突破性等方面取得突破性进展实现了在了在SiC衬底及底及Si衬底上的低缺陷外延，另外在氧底上的低缺陷外延，另外在氧化、化、掺杂、半、半导体金属接触、腐体金属接触、腐蚀工工艺等方面都等方面都逐步成熟，有关器件的研制也已取得大批成果逐步成熟，有关器件的研制也已取得大批成果由于由于SiC具有具有带隙隙宽、、击穿穿电场高、高、热导率高和率高和饱和和电子漂移速度大等子漂移速度大等优点，因此它不点，因此它不仅是一种良是一种良好的高温好的高温结构材料，也是一种良好的高温半构材料，也是一种良好的高温半导体体材料SiC薄膜常被用着光致薄膜常被用着光致发光、光、场效效应晶体管晶体管以及薄膜以及薄膜发光二极管等光二极管等9/22/202462§§9 9 硅、锗和硅基光电材料硅、锗和硅基光电材料 9.4 碳化碳化硅硅 SiC在薄膜太阳能在薄膜太阳能电池中的池中的应用用1. SiC薄膜薄膜宽带隙和高隙和高电导使它常被使它常被用作非晶、微晶硅用作非晶、微晶硅电池的窗口材料，池的窗口材料，有利于提高有利于提高电池的内建池的内建电势，减小串，减小串联电阻和增大光阻和增大光谱响响应。

2. SiC薄膜太阳能薄膜太阳能电池池还可以用来作可以用来作为叠叠层太阳能太阳能电池池顶电池，利用其池，利用其宽带隙和高隙和高电导来吸收太阳光来吸收太阳光谱中的短中的短波波长部分，提高内建部分，提高内建电势，达到高的，达到高的转换效率9/22/202463。