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寬禁帶半導(dǎo)體材料  禁帶寬度是半導(dǎo)體的一個(gè)重要特性參數(shù)，根據(jù)半導(dǎo)體材料的能帶結(jié)構(gòu)不同，可將半導(dǎo)體材料分成兩種類(lèi)型：寬禁帶和窄禁帶。若半導(dǎo)體材料的帶隙寬度小于2.3eV，則稱為窄帶隙半導(dǎo)體，代表性材料有GaAs、Si、Ge 和InP ；若半導(dǎo)體材料的帶隙寬度大于或等于2.3eV，則稱為寬帶隙半導(dǎo)體，代表性材料有GaN、SiC、AlN 和氮化鋁鎵（AlGaN）等。半導(dǎo)體材料的禁帶寬度越大，意味著其電子躍遷到導(dǎo)帶所需的能量越大，從而材料能承受的溫度和電壓越高，即越不容易成為導(dǎo)體。 寬禁帶半導(dǎo)體材料非常適合于制作抗輻射、高頻、大功率和高密度集成的電子器件，其具有良好的抗輻射能力及化學(xué)穩(wěn)定性、較高的飽和電子漂移速度及導(dǎo)熱率、優(yōu)異的電性能等特點(diǎn)。近年來(lái)，迅速發(fā)展起來(lái)的以GaN、SiC 為代表的寬禁帶半導(dǎo)體材料是固態(tài)光源和電力電子、微波射頻器件的“核芯”，在半導(dǎo)體照明、新一代移動(dòng)通信、智能電網(wǎng)、高速軌道交通、新能源汽車(chē)、消費(fèi)類(lèi)電子等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景，可望成為支撐信息、能源、交通、國(guó)防等產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重點(diǎn)新材料，進(jìn)行寬禁帶半導(dǎo)體材料的相關(guān)技術(shù)研發(fā)正在成為全球半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)新的戰(zhàn)略高地。SiC 與GaN 是第三代寬禁帶半導(dǎo)體材料中發(fā)展比較成熟的材料，本文主要研究這兩類(lèi)材料。 SiC材料及其制備工藝 SiC 具有獨(dú)特的物理和電學(xué)特性，其可以通過(guò)熱氧化工藝制備出SiO2，同時(shí)在氧化過(guò)程中使C 元素以氣體的形式釋放，制備出高質(zhì)量的SiO2，進(jìn)而可利用SiC 制作性能優(yōu)良的金屬– 氧化物– 半導(dǎo)體（Metal-Oxide-Semiconductor，MOS）晶體管。 （一）SiC 材料結(jié)構(gòu)及特性 SiC 為Ⅳ主族中Si 元素和C 元素組成的化合物，C 原子和Si 原子以共價(jià)鍵的形式連接。SiC 的基本結(jié)構(gòu)單元是硅碳四面體，其相互連接形成各種緊密堆積的結(jié)構(gòu)。Si—C 雙原子層的堆積順序不同，導(dǎo)致SiC具有多種晶體結(jié)構(gòu)。其中，SiC 的同態(tài)多晶型主要有閃鋅礦（Zincblende）結(jié)構(gòu)、纖鋅礦（Wurtzite）結(jié)構(gòu)和菱形（Diamond）結(jié)構(gòu)。SiC 的纖鋅礦結(jié)構(gòu)為α-SiC，SiC 的立方閃鋅礦結(jié)構(gòu)為β-SiC，根據(jù)晶體堆疊的不同呈現(xiàn)出多型結(jié)構(gòu)，其中β-SiC（3C-SiC）和α-SiC（2H-SiC、4H-SiC、6H-SiC、15R-SiC）比較具有代表性，對(duì)于不同的晶體結(jié)構(gòu)，其禁帶寬度也有所差異，如圖1 所示。 圖1 SiC材料的常見(jiàn)多型結(jié)構(gòu)（a）SiC材料的晶體結(jié)構(gòu)；（b）對(duì)應(yīng)的禁帶寬度 在SiC 的各種晶體類(lèi)型中，3C-SiC 鍵能最低，晶格自由能最高且易成核，但其處于亞穩(wěn)態(tài)，具有較低的穩(wěn)定性及易發(fā)生固相轉(zhuǎn)移的特點(diǎn)。在接近平衡態(tài)的條件下，當(dāng)退火溫度分別為1200℃和2000℃時(shí)，3C-SiC 會(huì)發(fā)生相變，部分轉(zhuǎn)變?yōu)?/font>6H-SiC 和4H-SiC，其中3 種晶型的鍵能大小順序?yàn)?/font>3C-SiC<6H-SiC< 4H-SiC，鍵能越小越不穩(wěn)定，在外界條件影響下越容易發(fā)生相變。所以，通過(guò)改變外界條件，3C-SiC 可以發(fā)生相轉(zhuǎn)變，變成其他晶型。目前，應(yīng)用較多的是4H-SiC 材料，其禁帶寬度為3.2eV，是Si 禁帶寬度的3 倍左右，且熱導(dǎo)率高，故多用于高溫大功率的微電子器件領(lǐng)域。 （二）SiC 晶體的制備 圖2（a）為SiC 相圖，可以看出，在大氣氛圍中SiC 在2830℃下會(huì)分解為C 和含C 量為13% 的Si 熔液，因此無(wú)法從Si-C熔融體中進(jìn)行晶體生長(zhǎng)。在過(guò)去的30 年中，工業(yè)界已研發(fā)出采用升華的方式制備SiC 襯底的技術(shù)，使SiC 材料在低壓惰性環(huán)境中升華，Si、SiC2、Si2C 等分子沿溫度梯度遷移，并按照設(shè)計(jì)取向在單晶SiC 種子層上沉積而重新結(jié)晶成SiC 晶體，如圖2（b）所示。采用新的物理氣相傳輸（PVT）技術(shù)能夠?qū)⒕w制備溫度控制在1900~2400℃范圍內(nèi)。 圖2 SiC的相圖（a）和制備SiC的物理氣相傳輸（PVT）技術(shù)（b） SiC 存在各種多型體（結(jié)晶多系），它們的物性值也各不相同。SiC 晶體中存在多種缺陷，這些缺陷會(huì)降低其自身的質(zhì)量。常見(jiàn)的晶體缺陷類(lèi)型有微管、位錯(cuò)、層錯(cuò)、夾雜、多型共生等，如圖3 所示。晶體缺陷給SiC 器件的應(yīng)用造成了很大的阻礙。在這些缺陷當(dāng)中，微管缺陷帶來(lái)的后果最嚴(yán)重，SiC 器件的工作區(qū)域中任一微管缺陷都可能會(huì)導(dǎo)致器件的失效。 |
