SiC外延行业动态范例.docx

SiC同质外延行业动态 一、 行业概述 半导体技术与人们的生活息息相关，它在提高人们生活水平的同时，深刻地影响了当代人的方方面面。作为半导体技术的一个重要分支，半导体材料对半导体技术的发展有着举足轻重的作用，它的每一次发展都会推动半导体器件和集成电路性能的较大进步。为了进一步提高半导体技术，我们需要坚持不懈地研究半导体材料。 现在，使用半导体材料 Si、Ge 制造器件的技术比较成熟，应用的范围相当广泛。然而，随着电路系统工作环境的复杂化，我们对电子器件的性能要求也更加严格，硅材料已不能满足要求。所以第二代半导体材料 GaAs 等应运而生，在一定程度范围满足了现代技术应用的要求。在此之后，又研究出第三代宽带隙（Eg2.3eV）半导体材料。第三代半导体材料凭借其优越的综合性能脱颖而出，其中具有代表性的是 SiC 和 GaN。 Si 器件作为当今世界的主流，日益表现出局限性，其带隙宽度较小，高温下不能正常工作，在高温、高频、大功率及强辐射条件下性能捉襟见肘。Si器件的最高耐温只有 150℃，而 SiC 器件的耐温可达 600℃，而且热导率高，有利于器件良好地散热，使器件发挥更好的性能，由于散热良好，器件和集成电路的体积可以做的更小。SiC 器件和 Si器件相比，耐压范围也更高，如图 1.1 所示。第三代半导体材料的性质见表 1.1，所以在耐腐蚀等环境下，有着巨大的应用价值。电力电子领域是 SiC 材料应用的典型领域。 图 1.1 Si 和 SiC 器件耐压值范围 在航空航天或军事领域，系统的工作条件极其恶劣。从 80 年代末起，SiC 材料与器件的飞速发展。由于 SiC 材料种类很多，性质各异，它的应用范围十分广泛。 在大功率器件方面，利用 SiC 材料可以制作的器件，其电流特性、电压特性、和高频特性等具有比 Si材料更好的性质。 在高频器件方面，SiC 高频器件输出功率更高，且耐高温和耐辐射辐射特性更好，可用于通信电子系统等。 在光电器件方面，利用 SiC 不影响红外辐射的性质，可将其用在紫外探测器上，在 350℃的温度检测红外背景下的紫外信号，功率利用率 80%左右。 在耐辐射方面，一些 SiC 器件辐射环境恶劣的条件下使用如核反应堆中应用。 高温应用方面，利用 SiC 材料制备的器件工作温度相当地高，如 SiC MOSFET和 SiC 肖特基二极管可在 900k 下工作。 从世界范围来看，高功率器件是最有可能实现的，应用潜力也最大，如图 1.2所示。SiC 作为二元化合物半导体，属于Ⅳ族元素中唯一的固态化合物。它 Si-C 健的能量很稳定，这也是 SiC 在各种极端环境下仍能稳定的原因。SiC 的原子化学能高达 1250KJ/mol；德拜温度达到 1200-1430K，摩尔硬度达到 9 级，仅比金刚石摩尔硬度低些；导热性良好，达 5W/cm.K,比其他半导体材料好很多。 SiC 有多种同质多型体，不同的同质多型体有不同的应用范围。典型的有3C-SiC、4H-SiC 和 6H-SiC，它们各有不同的应用范围。其中，3C-SiC 是唯一具有闪锌矿结构的同质多型体，其电子迁移率最高，再加上有高热导率和高临界击穿电场，非常适合于制造高温大功率的高速器件；6H-SiC 具有宽的带隙，在高温电子、光电子和抗辐射电子等方面有使用价值，使用6H-SiC 制造的高频大功率器件，工作温度高，功率密度有极大的提升；而 4H-SiC 具有比 6H-SiC 更宽的带隙和较高的电子迁移率，是大功率器件材料的最优选择。 由于 SiC 器件在国防和民用领域不可替代的地位，世界上很多国家对 SiC 半导体材料和器件的研究都很重视。美国的国防宽禁带半导体计划、欧洲的ESCAPEE计划和日本的国家硬电子计划等，纷纷对 SiC 半导体材料晶体制备和外延及器件投入巨资进行研究。 SiC 电子器件是微电子器件领域的研究热点之一。SiC 材料的击穿电场有4MV/cm，很适合于制造高压功率器件的有源层。而由于 SiC 衬底存在缺陷等原因，将它直接用于器件制造时，性能不好。SiC 衬底经过外延之后，其表面缺陷减少，晶格排列整齐，表面形貌良好，比衬底大为改观，此时将其用于制造器件可以提高器件的性能。为了提高击穿电压，厚的外延层、好的表面形貌和较低的掺杂浓度是必需的。 一些高压双极性器件，需外延膜的厚度超过 50μm,掺杂浓度小于 2×1015cm-3,载流子寿命大过 1us。对于高反压大功率器件，需要要在 4H-SiC 衬底上外延一层很厚的、低掺杂浓度的外延层。为了制作 10KW 的大功率器件，外延层厚度要达到 100μm以上。高压、大电流、高可靠性 SiC 电子器件的不断发展对 SiC 外延薄膜提出了更多苛刻的要求，需要通过进一步深入的研究提高厚外延生长技术。 电子迁移率με