碳化硅半導體材料應用及發展前景

賀東葛，王家鵬，劉國敬

(中國電子科技集團公司第四十五研究所，北京 100176)

半導體材料通過多年的發展，目前可以分為三代，即第一代半導體“元素半導體”，典型如硅基和鍺基半導體，適用于數據的運算和存儲；其中以硅基半導體技術成熟，應用也較廣；第二代是砷化鎵、磷化銦為基礎的III-V族化合物半導體，主要解決信息通信，應用領域包括半導體激光器、光纖通信、寬帶網等信息傳輸和存儲等領域的革命；第三代是以氮化鎵、氮化銦、氮化鋁、碳化硅為基礎的III-V族化合物半導體，在電和光的轉化方面性能突出，在微波信號傳輸方面的效率更高，可被廣泛應用到照明、顯示、通訊等各個領域。目前市場應用比較廣泛的藍綠光LED是基于SiC或GaN材料，也是特殊的第三代半導體。

1 碳化硅材料發展歷程

早在1824年，瑞典科學家Berzelius在人工合成金剛石的過程中就觀察到了SiC的存在，但是因為天然的SiC單晶極少，當時人們對SiC的性質幾乎沒有什么了解。直到1885年，Acheson將石英砂與碳混合放入管式爐中2 600℃反應，首次生長出SiC晶體。

1959年，荷蘭Lely發明一種采用升華法生長高質量單晶體的新方法。

1978年，俄羅斯科學家Tairov和Tsvetkov發明了改良的Lely法。

1979年，SiC藍色發光二極管問世。

1981年，Matsunami發明了Si襯底上生長單晶SiC的工藝技術。

1991年，美國Cree公司用改進的Lely法生產出6H-SiC晶片，并與1994年制備出4H-SiC晶片。1997年實現50 mm(2英寸)6H-SiC單晶的市場化，2000年實現100 mm(4英寸)6H-SiC單晶的市場化，2007年5月23日，Cree展示100 mm零微管碳化硅基底，2010年8月30日，Cree展示高品質的150 mm碳化硅基片。這一突破性進展立即掀起了SiC晶體及相關技術研究的熱潮。……