半導體碳化硅薄膜材料特性及制備方法研究

［摘 要］作為第三代的半導體材料，碳化硅具有帶隙寬、熱導率高、電子的飽和漂移速度大、臨界擊穿電場高和介電常數低、化學穩定性好等特點，在高頻、大功率、耐高溫、抗輻照的半導體器件及紫外探測器等方面具有廣泛的應用前景。文章綜述了碳化硅的發展歷史，介紹了碳化硅材料的生長工藝技術，并簡要討論了碳化硅器件主要應用領域和前景。

［關鍵詞］碳化硅 材料生長 器件

［中圖分類號］TQ ［文獻標識碼］A ［文章編號］1009－5489(2008)09－0263－03

在半導體材料的發展中，一般將Si和Ge稱為第一代電子材料，上世紀60年代，發展了第二代電子材料，包括GaAs、InP、GaP、InAs、AlAs及其合金等。隨著微電子技術、光電子技術的飛速發展，常規半導體如Si、GaAs等已面臨嚴峻挑戰，人們對能在極端條件(高溫、高頻、大功率、強輻射)下工作的電子器件的需求越來越迫切。因而繼第一代第二代半導體材料以后發展第三代寬帶隙(Eg＞2.3eV)高溫半導體材料，即SiC、GaN、AlN、金剛石等已成當務之急。SiC是第三代半導體材料的核心之一，與Si、GaAs相比，SiC具有帶隙寬、熱導率高、電子飽和漂移速率大、化學穩定性好等優點，因而被用于制作高溫、高頻、抗輻射、大功率和高密度集成電子器件。利用它寬禁帶(2.3eV～3.3eV)的特點還可以制作藍、綠光和紫外光的發光器件和光電探測器件。另外，與其他化合物半導體材料如GaN、AlN等相比，SiC有一個獨特的性質就是可以形成自然氧化層SiO2，這對制作各種以MOS為基礎的器件是非常有利的。選擇SiC這種具有良好應用前景的材料進行深入研究，提高材料質量使之滿足器件要求是我國在微電子技術這一重要領域趕上國際水平的必由之路。

一、SiC材料發展歷史

自1824年瑞典科學家Berzelius在人工合成金剛石的過程中觀察到了SiC以來，人們開始了對SiC的研究。1885年Acheson第一次生長出SiC晶體，他發現該晶體具有硬度大、熔點高等特性，并希望用它代替金剛石和其他研磨材料。當時這一材料在切割和研磨方面產生了極大的影響力。但由于晶體的尺寸較小，并且其中存在大量的缺陷，SiC材料還不能用于制備電子器件。SiC在電子學中的正式應用是1907年，英國電子工程師Round制造出了第一支SiC的電致發光二極管。1920年，SiC單晶作為探測器應用于早期的無線電接收機上。直到1959年，Lely發明了一種采用升華法生長高質量單晶體的新方法，由此奠定了SiC的發展基礎，也開辟了SiC材料和器件研究的新紀元。

但是，由于當時SiC單晶生長難度比較大，因而使得SiC的研究滯后了。這一時期的研究工作，即60年代中期到70年代中期，主要在前蘇聯進行，在西方一些國家，SiC的研究工作僅處于維持狀態。1978年，俄羅斯科學家Tairov和Tsvetkov發明了改良的Lely法，獲得較大晶體的SiC生長技術，又激起了人們的興趣。1979年，成功地制造出了SiC藍色發光二極管。1981年，Matsunami發明了Si襯底上生長單晶SiC的工藝技術，并在SiC領域引發了技術的高速發展。1991年，Cree Research Inc用改進的Lely法生產出6H-SiC晶片，1994年獲得4H-SiC晶片。人們逐步增強了對SiC的研究興趣，且目前這一領域由于SiC襯底的商品化而迅猛發展起來。

二、SiC材料的結構與特性

SiC是IV-IV族二元化合物半導體，也是元素周期表中IV族元素中唯一的一種固態化合物。SiC具有250多種同素異構類型，其中最為重要的有兩種：一種為立方密堆積的閃鋅礦結構叫作3C-SiC，即β-SiC；另一種為六角密堆積的纖維鋅礦結構，其中典型的有6H、4H、15R(數字和字母分別表示密堆積方向上晶胞中(Si＋C)雙層的數目及晶體結構種類)等，統稱為α-SiC。

從表中可以看出，SiC寬的帶隙、高的熱導率、快的電子飽和漂移速率、好的化學穩定性等特性，使它成為目前發展最快的高溫寬禁帶半導體器件之一。

(1)SiC是一種寬帶隙半導體，不同的結晶狀態有不同的帶隙，可以用作不同顏色的發光材料。如六角晶體SiC的帶隙約為3eV，可以用作藍光LED的發光材料；立方晶體SiC的帶隙為2.2eV，可以用作綠色LED的發光材料。由于帶隙不同，它們呈現出不同的體色，立方晶系透射和反射出黃色，六角晶系呈無色。

(2)SiC材料不同的結晶形態決定其禁帶寬度的不同，但均大于Si和GaAs的禁帶寬度，大大降低了SiC器件的泄漏電流，加上SiC的耐高溫特性，使得SiC器件在高溫電子工作方面具有獨特的優勢。

(3)SiC三倍于Si的熱導率使它具有優良的散熱性，有助于提高器件的功率密度和集成度。

(4)SiC具有很高的臨界擊穿電場，它大約是Si材料的十倍，用它作成的器件可以很大的提高耐壓容量、工作頻率和電流密度，也大大降低了器件的導通損耗。

(5)SiC兩倍于Si的電子飽和漂移速度使SiC器件具有優良的微波特性，可以很大的改善通信、雷達系統的性能，而且SiC器件的高溫高功率特性使它能夠滿足在航空航天、國防安全等特殊環境的工作需要。

(6)SiC材料的高硬度和高化學穩定性使它具有極高的耐磨性，可以在很惡劣的環境下工作。

由于碳化硅具有以上特性，因此SiC比一些常規半導體材料更適合應用于特性優越的器件，很快成為第三代電子材料的核心之一。

三、SiC薄膜的制備方法

目前，常用的SiC薄膜的制備方法有：濺射法、CVD法和液相外延法。

在用濺射法制備薄膜時，薄膜的形成過程大致都可分為四個階段。

1)外來原子在基底表面相遇結合在一起成為原子團，只有當原子團達到一定數量形成“核”后，才能不斷吸收新加入的原子而穩定地長大形成“島”。

2)隨著外來原子的增加，島不斷長大，進一步發生島的接合。

3)很多島接合起來形成通道網絡結構。

4)后續的原子將填補網絡通道間的空洞，成為連續薄膜。

在薄膜的生長過程中，基片的溫度對沉積原子在基片上的附著以及在其上移動等都有很大影響，是決定薄膜結構的重要條件。一般來說，基片溫度越高，則吸附原子的動能也越大，跨越表面勢壘的幾率增多，則需要形成核的臨界尺寸增大，越易引起薄膜內部的凝聚，每個小島的形狀就越接近球形，容易結晶化，高溫沉積的薄膜易形成粗大的島狀組織。而在低溫時，形成核的數目增加，這將有利于形成晶粒小而連續的薄膜組織，而且還增強了薄膜的附著力，所以尋求實現薄膜的低溫成型一直是研究的方向。

CVD法由于生長溫度低、反應條件易于控制、成膜均勻等優點成為目前制備結晶態SiC薄膜材料及器件的主要方法，通常采用含Si和C的氣體作為反應源，H2或Ar作為稀釋和輸送氣體，襯底用射頻感應電爐加熱，通常選單晶硅片作為襯底，因為它成本低、純度高、生長重復性好。但是SiC與Si晶格失配與熱膨脹失配比較大，分別為20%和8%左右，因此在SiC／Si界面上會出現高密度的失配位錯和堆垛位錯等，這些缺陷會引起雜質的重新分配，雜質散射的增大，降低載流子遷移率。近年來，為了獲得高質量的SiC膜，人們一方面努力改進以Si為襯底的外延生長技術，另一方面也發展了SiC取代Si作為襯底的外延生長技術。

LPE是一種比較早且比較成熟的生長SiC薄膜的技術。因為SiC不熔融于Si體中，故可用LPE工藝生長SiC，這一工藝的生長溫度較低，且生長狀態幾乎維持在平衡態。

以往的研究發現，在一定條件下，不同晶型的SiC之間可以轉換。例如，在大于1600℃溫度下燃燒，3C-SiC可變為6H-SiC；利用此現象已在3C-SiC(100)籽晶上生長出6H-SiC(0114)單晶，同時還對4H-SiC的變型生長進行了研究。研究發現，在生長初期摻入某種雜質有利于4H-SiC單晶生長，當生長溫度高于通常6H-SiC生長所需要的溫度時，在6H-SiC(0001)面上容易生長4H-SiC單晶。

四、SiC半導體材料的應用

SiC優越的半導體特性將為眾多的器件所采用。SiC作為高溫結構材料已經廣泛應用于航空、航天、汽車、機械、石化等工業領域。利用其高熱導、高絕緣性目前在電子工業中用作大規模集成電路的基片和封裝材料。在冶金工業中作為高溫熱交換材料和脫氧劑，同時作為一種理想的高溫半導體材料。隨著SiC半導體技術的進一步發展，SiC器件的應用領域越來越廣闊，如表2所示。

SiC材料以其寬禁帶，高擊穿臨界電場、飽和速度和熱導率，小的介電常數和較高的電子遷移率，以及抗輻射能力強，結實耐磨等特性成為制作高頻、大功率、耐高溫、和抗輻射器件的理想材料。在器件研制方面，SiC藍光LED已經商業化，高溫高壓二極管已經逐漸走向成熟。在高溫半導體器件方面，利用SiC材料制作的SiCJFET和SiC器件可以在無任何領卻散熱系統下的600℃高溫下正常工作，在航空航天、高溫輻射環境、石油勘探等方面發揮重要作用。

五、結論及其展望

目前SiC研究領域已經取得了很大的成績，國際上掀起了對SiC材料和器件研究的熱潮。但是仍舊存在一些技術上的難題有待于解決。其中改善晶體質量，降低成本，減少缺陷密度，獲得大面積的晶片成為人們競相研究的熱點。隨著SiC器件加工和封裝技術的不斷發展，在不遠的將來，SiC器件和電路一定會大量的投放市場，滿足國防和經濟建設中眾多領域在極端條件下對器件的要求。

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