宽带隙半导体材料和工艺.
半导体材料的光电转换效率提升与性能优化
半导体材料的光电转换效率提升与性能优化引言：随着科技的不断进步，半导体材料在太阳能电池、光电器件等领域的应用日益广泛。
然而，为了实现更高的能源利用效率和性能优化，持续改进半导体材料的光电转换效率成为当前研究的重点。
本文将探讨一些关键的技术和方法，旨在提升半导体材料的光电转换效率并优化其性能。
一、材料选择与设计1. 宽带隙半导体材料为了提高光电转换效率，半导体材料的带隙宽度是一个关键因素。
宽带隙材料比窄带隙材料更容易吸收高能量的光线，提供更高的光电转换效率。
因此，在设计半导体材料时，选择具有适当带隙宽度的材料非常重要。
2. 多结构设计利用多结构设计的半导体材料可以提高光电转换效率。
例如，通过在材料中引入异质结或量子阱，可以有效地限制电子和空穴的复合并提高载流子的分离效率。
这种设计还可以增强光的吸收和延长光子生命周期，从而提高光电转换效率。
二、界面工程与界面优化1. 表面修饰半导体材料的表面经常面临光子与材料的传输问题，因此通过表面修饰可以有效地改善光电转换效率。
一种常见的表面修饰方法是通过修饰层来减少表面的电子复合速率，或引入光反射层增强光的吸收。
此外，采用纳米结构化技术也能提高表面光的吸收率，从而优化光电转换。
2. 界面结构调控半导体材料的界面结构对光电转换效率有重要影响。
通过调控界面的能带结构，可以增强电荷在界面上的分离和传输效率。
例如，引入新型的界面修饰剂，可以调整界面能级位置，减少电荷复合并提高电子和空穴的抽取效率。
三、光子管理与光电子学1. 光学抗反射层光学抗反射层是有效提高光电转换效率的一种方法。
采用抗反射层可以增加光的进射量，减少反射损失，并提高材料的吸收性能。
常见的抗反射层材料包括二氧化硅、氧化锌等。
2. 光子晶体结构利用光子晶体结构可以有效地控制光的传输和吸收特性，从而提升光电转换效率。
通过调控光子晶体的周期结构和填充因子，可以实现对特定波长范围内的光吸收和传导的优化。
结论：半导体材料的光电转换效率的提升与性能优化需要多方面的措施，如材料选择与设计、界面工程与优化，以及光子管理和光电子学等。
宽禁带半导体材料
其他应用
宽禁带半导体材料在传感器、太阳 能电池、电子束器件等领域也有应 用。
02
宽禁带半导体材料的性质
物理性质
高击穿电场
宽禁带半导体具有高的击穿电 场，可使其在高温和高频下保
持优良的导电性能。
高热导率
宽禁带半导体的热导率较高，有 利于器件的高温工作。
低有效质量
宽禁带半导体具有低的有效质量， 有助于提高其电子和空穴的迁移率 。
方法。
该方法的基本原理是将金属有机物作 为源材料，通过控制反应温度、反应 压力、反应气体的种类和输送到反应 炉中的量等参数，实现高质量宽禁带
半导体材料的可控制备。
与传统的化学气相沉积法相比，金属 有机物化学气相沉积法具有更高的生 长速率和更低的成本，同时还可以实 现不同类型宽禁带半导体材料的可控
制备。
总结词
宽禁带半导体材料具有宽带隙和高透光性等特性，因此在光电器件领域也有 着广泛的应用前景。
详细描述
宽禁带半导体材料在光电器件领域主要应用于LED、激光器和光检测器等光电 器件的制作。这些器件可以应用于光纤通信、光信息处理和光电传感等领域 。
传感和MEMS应用
总结词
宽禁带半导体材料具有高灵敏度、高分辨率和高稳定性等优点，因此在传感和 MEMS领域也有着广泛的应用前景。
该方法的基本原理是将反应气体输送到反应炉中，在一定的温度和压力下，反应气体发生 化学反应并生成固态薄膜。
通过控制反应气体的种类和输送到反应炉中的量，可以精确地控制薄膜的生长速率和厚度 ，从而实现高质量宽禁带半导体材料的可控制备。
溶胶-凝胶法
溶胶-凝胶法是一种在宽禁带半导体材料制备中常用的化学方法。
微波射频应用
总结词
宽禁带半导体材料具有高频率特性、低损耗和高功率容量等 优势，因此在微波射频领域也具有广泛的应用前景。
中国半导体行业的新材料与工艺技术
中国半导体行业的新材料与工艺技术随着物联网时代的到来，半导体行业成为全球信息技术产业中的一颗明珠。
作为全球最大的半导体市场，中国半导体行业已经成为全球半导体市场不可忽视的一部分。
然而，为了满足未来信息技术对高性能计算与通信等应用的需求，半导体行业必须不断发展新材料与工艺技术，以提高芯片的性能和生产效率。
一、新材料1. 氮化镓材料氮化镓材料是一种新型半导体材料，具有优异的物理特性，如高电子迁移率和热稳定性，被认为是芯片封装和高频集成电路制造的理想材料。
此外，氮化镓材料还可以生长出宽禁带结构，扩展了固体发光器件在蓝、绿光区的应用，将极大地影响光电子学领域的发展。
2. 石墨烯材料石墨烯是由碳原子组成的二维晶体材料，近年来由于其优异的电学、热学和机械性能，在各种领域引起了广泛关注。
在半导体工业中，石墨烯可以作为场效应晶体管等电子器件的通道材料，同时由于其优异的导热性能，还可以作为芯片退火的高效传热材料，大大提高了制造效率。
二、新工艺技术1. 晶圆级封装技术晶圆级封装技术是指在完成晶圆制造之后，将需要组装的器件在晶圆上同时完成封装的技术。
采用晶圆级封装技术可以将制造流程大大简化，从而提高生产效率和降低成本。
目前，晶圆级封装技术已经被广泛应用于3D堆叠装配、系统集成封装和MEMS等领域。
2. 区块链技术区块链技术是一种基于分布式数据存储、点对点传输、加密算法等技术的新型信息技术，其去中心化、透明化、不可篡改等特性被广泛应用于金融、物流、医疗等领域。
在半导体产业中，采用区块链技术可以实现产业链的协同管理和透明监督，减少由于信息不对称而导致的风险和成本。
三、发展前景新材料与新工艺技术的应用将进一步提高半导体芯片的性能和生产效率，推动整个半导体行业的发展。
目前，中国半导体行业已经成为全球最大的消费市场之一，同时在先进制造工艺、封装测试等领域实现了重大突破。
随着新型信息技术的不断涌现以及国家支持政策的进一步加强，中国半导体产业有望成为全球半导体产业中的领导者。
宽带隙半导体材料SiC研究进展及其应用_王玉霞
第30卷第3期硅酸盐学报Vol.30,No.3 2002年6月JOURNAL OF THE CHINESE CERAMIC SOCIETY J un e,2002综合评述 宽带隙半导体材料SiC研究进展及其应用王玉霞,何海平,汤洪高(中国科学技术大学材料科学与工程系,合肥 230026)摘 要:SiC是第3代宽带隙半导体的核心材料之一,具有极为优良的物理化学性能,应用前景十分广阔.本文综合介绍SiC的基本特性,材料的生长技术(包括体单晶生长和薄膜外延生长技术),SiC基器件的研发现状,应用领域及发展前景.同时还介绍了作者用脉冲激光淀积法在Si衬底上制备出单晶4H-SiC薄膜的研究结果.关键词:碳化硅;体单晶生长;薄膜;器件中图分类号:T N304.2+4 文献标识码:A 文章编号:0454-5648(2002)03-0372-10PROGRESS IN RESEARCH ON WIDE BAND_GAP SEMIC ONDUCTOR SiC AND ITS APPLIC ATIONWAN G Y u xia,HE Haiping,T AN G Honggao(Department of M aterial Science and Engineering,U niversity of Science and T echnology of China,Hefei 230026)A bstract:Due to its excellent physical and chemical properties,SiC has been reg arded as a key material for the third_g eneration semi-conductors with ex tensive potential applications.In this paper,SiC proper ties,techniques fo r SiC bulk and film grow th,current sta-tus of research on SiC_based device,and applications and prospect of SiC materials are review ed.T he aothors'results of g rowing sin-gle_crystalline4H-SiC film on Si substrate by pulsed laser depositio n are also described.Key words:silicon carbide;bulk grow th;film;device 在半导体材料的发展中,一般将Si,G e称为第1代电子材料,GaAs,InP,G aP,I nAs,AlAs及其合金等称为第2代电子材料,而将宽带隙高温半导体SiC,GaN,AlN,金刚石等称为第3代半导体材料.随着科学技术的发展,对能在极端条件(如高温、高频、大功率、强辐射)下工作的电子器件的需求越来越迫切[1].常规半导体如Si,GaAs等已面临严峻挑战,故发展宽带隙半导体(E g>2.3eV)材料实为当务之急.SiC是第3代半导体材料的核心之一.与Si,G aAs相比,SiC具有很多优点[2],如带隙宽,热导率高,电子饱和漂移速率大,化学稳定性好等,非常适于制作高温、高频、抗辐射、大功率和高密度集成的电子器件.利用其特有的禁带宽度(2.3～3.3eV),还可以制作蓝、绿光和紫外光的发光器件和光探测器件.另外,与其他化合物半导体材料如G aN,A lN等相比,SiC的独特性质是可以形成自然氧化层收稿日期:2001-12-10.修改稿收到日期:2002-01-25.基金项目:国家自然科学基金资助项目(批准号:50172044).作者简介:王玉霞(1946～),女,教授.SiO2[3].这对制作各种以M OS(metal_oxide_semico ndu_cto r)为基础的器件(从集成电路到门电路绝缘功率管)是非常有利的.1955年,Lely采用升华法生长出了SiC晶体,由此奠定了SiC的发展基础[4].1960年Conner和Smillens揭示了SiC作为发光材料的潜在优良特性[5].尽管人们早已认识到SiC具有优良的电学性质,但其发展却一直受体单晶生长的制约.直到80年代初Tairov等人[6]采用改进的升华工艺生长出SiC晶体后,SiC作为一种实用半导体才引起人们广泛的研究兴趣.国际上一些先进国家和研究机构都投入巨资进行SiC研究.紧接着,Cree Research Inc用改进的Lely法在1991年生长出商品化的6H-SiC晶片,于1994年获得4H-SiC晶片[1].这一突破性进展立即掀起了SiC器件及相关技术研究的热潮.美国制定了“国防与科技计划”,Received date:2001-12-10.App roved date:2002-01-25. Biography:WANG Yuxia(1946—),female,professor.E-mail:w yxm@日本制定了“国家硬电子计划”,都将SiC 作为重点研究课题[7].目前对SiC 的研究主要是针对4H -,6H -,3c -SiC 的体单晶生长,薄膜生长以及器件研究.本文将就SiC 领域相关研究进展分别进行介绍,并展望其发展前景.1 SiC 的基本特性SiC 的基本结构单元是Si -C 四面体,属于密堆积结构.由单向堆积方式的不同产生各种不同的晶型,业已发现约200种.密堆积有3种不同的位置,记为A ,B ,C .依赖于堆积顺序,SiC 键表现出立方闪锌矿或六方纤锌矿结构.如堆积顺序为ABC ′ABC …,则得到立方闪锌矿结构,记作3c -SiC 或β-SiC (c =cubic ).这是唯一一种纯立方结构的晶型.若堆积顺序为AB ′AB …,则得到纯六方结构,记为2H -SiC (H =hex agonal ).其它多型体为以上两种堆积方式的混合.两种最常见的六方晶型是4H 和6H .其堆积方式分别为ABCB ′ABCB …和ABCACB ′ABCACB …(图1).此外,尚发现有菱面体结构的SiC (如15R ,21R )存在,它们也属于六方纤锌矿结构.在所有已发现的多型中,能稳定存在的只有3c ,2H ,4H ,6H 和15R .不同SiC 多型体在Si -C 双层密排面的晶格排列完全相同,它们有相同的化学性质,但是在物理性质,特别是在半导体特性方面表现出各自的特性.利用SiC 的这一特点可以制作SiC 不同多型体间晶格完全匹配的异质复合结构和超晶格,从而获得性能极佳的器件.SiC 具有非常高的热稳定性和化学稳定性.在任何合理的温度下,其体内的杂质扩散都几乎不存在[3].室温下,它能抵抗任何已知的酸性蚀刻剂.这些性质使SiC 器件可以在高温下保持可靠性,并且能在苛刻的或腐蚀性的环境中正常工作.SiC 其它的优良特性见表1.表1 几种SiC 多型及其他常见半导体材料的性能比较[2]Table 1 Properties comparison of several SiC polytypes andpopular semiconductors [2]P ropertie s Si Ga As β-Si C 4H -Si C 6H -SiC GaN Band Gap /eV 1.121.432.33.32.93.39Max imum operating t em pera t ure /K 6007601510151015101130Melting Point /K 16901510 Subl ima te d at 31001227Physi cal stability Go od O rdina ry Ex c ellent GoodEl ect ron Mobility / (cm 2·V -1·S -1)140085001000900400<440Hole m obil i ty / (cm 2·V -1·S -1)600400 4010040—Breakdown Field × 10-5/(V ·cm -1)2.5340404020The rmal conduc t ivi ty (RT )/ (W ·c m -1·K -1)1.50.54.94.94.91.5Saturated el ect ron drift Vel ocity × 10-7/(cm ·S -1)1.022.52.72.52.5Diel ectri c c o nstant11.812.810.09.710.09.5图1 3c -,4H -,6H -SiC 的结构示意图Fig .1 Schematic models of 3c -,4H -,6H -SiC structure·373· 第30卷第3期 王玉霞等:宽带隙半导体材料SiC 研究进展及其应用 2 SiC 材料制备2.1 体单晶生长大多数半导体单晶都可以从熔体或溶液中生长.但SiC 所具有的性质决定了至少在目前不能用这两种方法生长大单晶.SiC 的相图[8]表明,在常压下SiC 在2830℃时升华,而不能形成液态(图2).根据相图计算,SiC 熔体仅在压强图2 SiC 的相图Fig .2 P hase diag ran for SiC约大于104M Pa ,温度高于3200℃时才能产生.这样的条件显然不适于商业化生产直径为5～10cm 的半导体级SiC 晶体[9].另外,尽管在1412～2830℃之间C 在Si 熔体中的溶解度达到0.01%～19%,但当温度高于1700～1750℃时Si 的气化增加,使生长过程变得极不稳定.通过向熔体中掺入一些金属(如Pr ,Tb ,Sc ,N d 等)可以使C 的溶解度超过50%,这在原则上使得从熔体中提拉晶体成为可能.然而这种技术因目前没有合适的坩埚材料且存在溶剂挥发问题而没有得到发展.况且,掺入的金属量太大,生长出的SiC 质量难以保证[10].尽管如此,从熔体中生长SiC 晶体近来也还有人尝试,方法是用石墨作为坩埚兼作碳源,在2200℃,15M Pa 条件下得到直径3.5cm 的晶体,但成本非常高,几乎没有实用性[11].SiC 晶体的获得最早是用A cheson 工艺将石英砂与C 混合放入管式炉中在2400～2600℃反应生成.这种方法只能得到尺寸很小的多晶SiC .至1955年,Lely 用无籽晶升华法生长出了针状3c -SiC 孪晶.在这种方法中,生长的驱动力是坩埚内的温度梯度.整个反应体系接近于化学平衡态,由SiC 升华形成的各种气相组分的分压随温度升高而增大,从而形成一个压力梯度,引起坩埚中从热区域向冷区域的质量输运.坩埚内的多孔石墨(见图3)为无数小晶核提供成核中心,晶体就在这些晶核上生长和长大.晶体质量很高,例如其微管等缺陷的密度与其他生长方法相比至少低一个数量级[11].此法至今还被用于生长高质量的SiC 单晶.不过,Lely 法生长的晶体尺寸太小(目前最大仅能达到200mm 2),且形状不规则,一般为针状.70年代末至80年代初,T airov 和Tsvetkov 等对Lely 法进行了改进,其原理图示于图3(modified Lely ),实现了籽晶升华生长.籽晶升华技术又称为物理气相输运技术(phy s -ical vapor transpo rt ,PV T ).它和Lely 法的区别在于增加一个籽晶,从而避免了多晶成核,更容易对单晶生长进行控制.该法现在已成为生长SiC 体单晶的标准方法.其基本原理是:首先多晶SiC 在高温(1800～2600℃)和低压下升华,产生的气相物质(Si ,Si 2C ,SiC 2)在温度梯度的驱动下到达温度较低的籽晶处,因产生过饱和度而在其上结晶.生长体系中可以改变的最重要因素是坩埚的设计及与之相关的温度分布.图3 升华法生长SiC 的设备示意图Fig .3 Schematic mo dels of sublimation grow th geometry·374· 硅 酸 盐 学 报 2002年 由于晶体趋向于沿等温线生长,因此对温度分布的设计必须十分精细.人们已探索多种设计,相互间的主要区别是源材料的位置.一般是将源材料放在坩埚底部,以使源表面与生长面相对.这样可以使源到籽晶的距离最小.但在大坩埚生长中,如何对源材料进行均匀加热是个难题.可部分解决此问题的方法是将源材料沿坩埚壁呈环状放置,这样可提高源材料的温控精度,对生长大晶体有利.缺点是SiC 源到籽晶的距离增大,生长速率降低,对晶体形状也较难控制.升华法生长中所用籽晶是Lely 法生长的晶体.由于生长时原始Lely 晶体的良好性质很难被继承,因此得到的晶体可能会有相当高的缺陷密度.不过升华生长是逐渐优化的过程,每次生长都将最好的晶片选作籽晶,这样可以逐渐消除缺陷.目前生长商业化SiC 晶片均采用PV T 技术.以美国Cree Research Inc 为代表,采用此法已逐步提高SiC 晶片的质量和直径.5cm 直径的晶片已在1998年秋投入市场.次年将直径增大到75cm .高质量10cm 的SiC 晶片也已经制出样品[12].其产品直径随时间增大的情况见图4.图4 Cree 公司6H -,4H -SiC 单晶尺寸随年度的变化[10]Fig .4 Increases in wafer size demonstrated in Research andDevelopment at Cree Research [10]在晶体质量方面,微管缺陷是制作高质量SiC 器件,尤其是高温和大功率器件的主要障碍之一[13].根据F rank 理论,微管是具有很大Burgers 矢量的螺位错中心的中空部分,通常仅在液相外延(LPE )时可以被封闭,但外延层必须足够厚.最近T DI I nc 发展了解决微管问题的新技术.其主要原理是先将微管通道填实,然后以此晶片为衬底进行外延生长[14].Cree 公司已经获得无微管缺陷的2.5cm 晶片,而5cm 直径晶片的最低微管密度也只有1.1cm-2.具如此质量的晶片非常适于制作大面积的功率器件.Cree 公司的研究表明[10],尽管微管产生的理论机制与实验结果有出入,但他们已稳步地逐年降低微管缺陷密度(见图5).因此他们乐观地预测在将来的几年内可以完全消除微管缺陷.图5 Cree 公司4H -SiC 中微管缺陷密度随年度的变化[10]Fig .5 Reduction in pro duction micropipe averages over timefo r both 35mm and 50mm 4H -SiC wafers at Cree Research [10]另一个方面是背底杂质浓度.因为生长温度极高,生长炉材料的选择很重要,一般首选C 基材料.目前,在Cree 生产的未掺杂单晶SiC 中的背底杂质相对浓度小于10-7,包括N 元素在内.尽管如此,在生长过程中还有几个难点(如对晶型和晶形的控制)有待克服.由于生长系统和P V T 方法的复杂性,使得优化工艺和控制生长速率非常困难.其中最主要的问题之一是SiC 生长体系中的热场分布尚不十分清楚.由于生长条件很苛刻,因此没有可行的方法去直接测量温度、压力以及化学组分.基于此,对坩埚内的热场进行数学模拟成为研究生长过程的重要工具[12].这方面的研究正在深入开展.2.2 薄膜生长器件制作要求在特定的衬底上生长具有不同杂质浓度的SiC 薄层,针对不同器件的要求,其厚度从零点几微米到几百微米不等.例如,功率器件要求低掺杂(1013～15cm -3)且厚度较大(30～100μm )的外延层,而高频器件则要求外延层比较薄(从<0.2μm 到几μm ),掺杂水平从中度掺杂(1017cm -3)到重掺杂(1019cm -3)[11].SiC 薄膜的生长因衬底不同分为异质外延和同质外延.在大尺寸SiC 体单晶未实用之前,一般都采用单晶Si 作衬底.异质外延遇到的主要问题是SiC 与Si 之间巨大的晶格失配以及热膨胀系数的差异(晶格失配度约20%,热膨胀系数相差约8%).这在薄膜中引入大量失配位错和应力.解决这个问题的方法是在生长SiC 薄膜前使Si 衬底碳化,生成一层很薄的SiC 缓冲层.这一方法最先由Nishino 等人[15,16]在Si 上生长3c -SiC 薄膜时提出.自较大直径的SiC 晶片商业化后,以SiC 作为衬底进行同质外延生长发展很快,并发展了台阶控制外延技术(step _controlled epitax y )[17]和位置竞争外延技术(site _com -petition epitaxy )[18]等.台阶控制外延通过选择衬底表面向某一晶轴的偏离角(以6H -SiC 同质外延为例,衬底表面为(0001)面,切割时稍向[1120]方向倾斜2°～4°[19]),来控制·375· 第30卷第3期 王玉霞等:宽带隙半导体材料SiC 研究进展及其应用 生长台阶面的密度和宽度,使到达台阶的Si ,C 原子非常容易地迁移到二台阶面之间的阶梯位置,从而延续衬底的堆垛次序获得与衬底同晶型的外延层,避免了外延层中几种多型的共生,如图6所示.图中上部表示,若台阶面过宽,则到达台阶面的原子在台阶面上成核,其多型性取决于生长温度,而与衬底关系不大,这样即可能产生3c -SiC 孪晶.而位置竞争外延技术则可在外延层中实现可控掺杂.这些技术的应用都使得外延膜质量有了很大提高.图6 6H -SiC 同质外延时的台阶控制生长[17] Fig .6 Step _controlled epitax y on 6H _SiC substra te [17]3c -S iC is grow n through two _dimens ional nucleation2.2.1 CV D 法 SiC 薄膜生长方法有化学气相淀积(chemial vapor depositio n ,CV D )[15,16]、分子束外延(molecu -lar beam epitax y ,M BE )[20]、磁控溅射[21]、脉冲激光淀积(pulsed laser deposition ,P LD )[22～24]及离子注入[25]等.其中最成熟和成功的是CV D 法.上世纪80年代初,N ishino 等人首先用此法在Si 衬底上获得单晶3c -SiC 薄膜[15].图7[15]是水平反应装置的示意图.反应在石英管中进行(用水冷,称为冷壁CVD ).核心部分是一个表面涂敷有SiC 的石墨基座,以确保加热时在较大面积内的热均匀性.涂层材料的选取很重要.它可将污染降至最低限度以获得精确的C /Si 的摩尔浓度比.最近的研究表明,SiC 作为涂层并不理想,影响到外延层的质量.美国Glenn 研究中心已研制出更好的C 基涂层材料[11].反应气体通常是硅烷和短链烃.它们混合在H 2载气中,高速通过衬底上方.以SiH 4和C 3H 8为例,反应时,先导入C 3H 8,将衬底骤然加热到略高于生长温度,保持2min ,即在Si 上形成一层很薄的SiC 缓冲层.然后导入SiH 4,将温度控制在1300℃左右,SiH 4和C 3H 8在高温下分解产生的含Si ,C 的粒子在衬底上吸附并发生外延生长.这种工艺的生长速率主要受3个因素控制,即反应产物的解吸附,表面被侵蚀速率以及受扩散控制的源材料分子的质量输运.因此,CV D 法生长速率较小,一般为几μm /h .在反应气体中掺入N 2或T MA (trimethy lamine ,三甲胺)可对外延膜进行n 型掺杂.图7 CVD 生长装置示意图[15]Fig .7 Schematic diagram for CVD g rowth of SiC [15]为提高生长速率,人们对该工艺进行了改进.近来已开展高温热壁CVD 法生长.温度升高,成核-生长过程容易发生,因而生长速率增大.但温度升高后,对生长条件的精细控制变得困难[26].另外还可采用垂直反应装置,可使生长速率达到几十μm /h 甚至高达0.5mm /h .为提高薄膜的均匀性、可重复性和产量,人们还发展了行星式多衬底反应装置[27].这种技术由Frijlink 等人[28]率先提出,并经Aixtron 改进用于商业化生产高度均匀的Ⅲ～Ⅴ化合物半导体材料.在这种设计中,反应气体(SiC 情形下是SiH 4,C 3H 8)从反应器中心导入并随机地向外流动,每片衬底均围绕各自的轴心转动,从而可以生长出厚度和掺杂都很均一的外延膜.表2给出了CV D 生长的SiC 和其他半导体材料的一些性质比较[26].从表中可以看出,CV D 法生长的SiC 品质比较好.目前已发展了许多用此外延膜制作的器件,这将在第3部分详细介绍.表2 C VD SiC 和一些材料的性质比较[26]Table 2 C VD SiC and competing material properties comparison [26]M aterial Pu rity /%Porosity /%ρ/(g ·cm -3)σb /M PaE /GPa α×106/K -1λ/(W ·m -1·K -1)CVD SiC 99.9995+03.214704664.0300HP SiC 97to 99<13.20519～7534504.5130～180RB SiC99+<13.082283934.5125Direct s inter SiC 9943.103804104.0125HP Al 2O 399.5<13.955533808.240Sintered Al 2O 399.5～99.81～23.86～3.9311～360350～3707.4～8.230Sintered SiN 98.8<13.207053103.235HP SiN 99+<13.15～3.18643～8023103.2～3.540HP AlN 96～99.9<12.2104700.580～150Quartz 99.98+<12.2104700.51.4～2.5Poly Si99.999+2.3—1103.8150 HP :Hot pressed or hot isostatic press ed ;RB :Reaction bonded with Si metal .·376· 硅 酸 盐 学 报 2002年 尽管如此,CVD 法也有一些缺点.其主要问题是生长温度比较高,故容易在外延层中引入晶体缺陷,并且由于在高温下H 2对衬底的侵蚀加剧而引入H 杂质.因此人们一直在探索改进各种生长条件以降低生长温度.例如,Golecki 等[29]以SiCH 2CH 3和H 2作为反应气用低压CV D 法在750℃制得了单晶SiC 外延膜.2.2.2升华外延 对升华外延(sublimation epitax y )生长SiC 的研究近年来比较多.CV D 虽然能生长具有器件质量的材料,但其生长速率很慢.升华外延技术能以大于2mm /h 的生长速率生长出比较厚且表面平整的SiC 外延层.其典型的生长装置[30]见图8.生长炉是一个带有水冷不锈钢法兰图8 升华外延装置示意图[30]Fig .8 G row th of SiC by sublimation epitaxy [30]的竖式石英管.里面是柱状石墨生长室,由一个底片和盖片组成.生长室安装在绝热的泡沫石墨中,用感应线圈加热.温度通过双色高温计在盖片的上部测量.生长是在高纯Ar (99.99990%)气氛中进行(本底气压<10-5Pa ).生长压力介于102～5×103Pa .源材料是多晶3c -SiC .源到衬底的距离是1mm ,二者之间有石墨隔离物隔开.生长温度介于1700～2000℃之间.在源与衬底之间建立一个由高到低的温度梯度,于是含Si 和C 的粒子便向衬底输运并在其上成核.可以通过改变生长室与感应线圈的相对位置来改变温度梯度.用升华外延生长SiC 的难点是要保持一定的蒸气压使SiC 源与衬底不会发生石墨化.一般的解决方法是在生长室内使用T a 箔,因为T a 在高温下可以俘获C .升华外延生长SiC 须解决的问题是外延层的纯度.外延层中残余的杂质是从生长环境(主要是SiC 源材料、石墨以及T a )中引入的.通过使用高纯源材料并改变生长参数(如生长速率、T a 箔、加热速率以及Si /C 的摩尔比),可以改变杂质的相对含量.2.2.3 脉冲激光淀积法(P LD ) 脉冲激光淀积法(pulsed laser deposition )的基本原理如图9所示:脉冲激光束照射靶材,使之汽化蒸发.在高温瞬间蒸发出来的粒子中,除中性原子和分子碎片外,还有大量的离子和电子,所以在靶表面附近立即形成一个等离子区[31].等离子体沿垂直于靶面的方向进行膨胀,形成一个细长的等离子区.膨胀后的等离子区迅速冷却,其中的离子最后在靶对面的衬底上凝结成膜.图9 脉冲激光溅射系统原理图Fig .9 Schematic diag ram for pulsed laser deposition PLD 法生长SiC 薄膜要求的衬底温度较低,且即时淀积速率可达每微秒一个原子层(1monolayer /μs ),比传统的M BE 生长的膜高6个数量级.其蒸发粒子(主要是原子)的能量可达10～40eV ,比通常蒸发法产生的粒子能量要大得多,这使原子沿表面的扩散迁移更剧烈.而很低(几Hz )的脉冲重复频率则允许原子有足够的时间扩散到Gibbs 自由能低的位置.这些都有利于薄膜的外延生长.另外,联合使用光扫描和靶扫描可以获得均匀、大面积的薄膜.近年来对PL D 生长SiC 薄膜的研究较多.文献[22,23]报道用PL D 法制得的SiC 薄膜多为多晶3c -SiC .我们课题组对淀积在Si 衬底上的P LD -SiC 薄膜经高真空(10-7Pa )、1100℃退火处理获得了单晶4H -SiC 薄膜[24].图10是退火前后样品的T EM 图.除以上介绍的方法外,生长SiC 薄膜的方法几乎包括了当今所有的薄膜生长技术.图10 刚淀积(a )和退火后(b )薄膜的T EM 图 Fig .10 T EM imag es of (a )as _deposited and (b )an -nealed SiC films by P LD·377· 第30卷第3期 王玉霞等:宽带隙半导体材料SiC 研究进展及其应用 3 SiC器件研究由于上世纪90年代中期在单晶制备及外延技术上的突破性进展,使近年来对SiC器件的研究受到广泛重视,这基于3个方面的原因:首先是可发展高温(>300℃)、大功率及低损耗电子器件;第2是制成高亮度发光管,从而使人类获得高重复性、长寿命的全色(包括白光)光源;第3是能制成短波长激光器(束斑尺寸小,可实现高密度数据光存储)及紫外探测器.与传统半导体Si和GaAs相比,具有优良性质(见表1)的SiC特别适用于制作高温、高频、高功率、抗辐射、抗腐蚀的电子器件.以M OSFET功率管(metal_oxide_semico nductor field effect transistor,金属-氧化物-半导体场效应晶体管)为例,其引人注目的优点诸如转换速度快,峰值电流电容大,易驱动,安全工作区(safe operating area,SOA)宽,雪崩及d v/d t性能好等都部分地受其传导特性的影响,而后者强烈依赖于额定电压与温度.SiC M OSF ET可以很好地解决该问题.实际上,在功率转换领域,SiC单极器件已大大超过Si的理论极限[32].目前已经研制成功的典型SiC器件见表3[1,33].表中SiC M ESF ET(metal_semiconductor field effect transistor,金属-半导体场效应晶体管)所显示的输出功率表3 SiC器件研究概表[1,33]Ta ble3 A list of SiC devices[1,33] DevicesM aximumoperatingtemperature/KCommentPow er M OSFET673175V,2A device and600V,1.8A device fabricated6H-SiC M ESFET673f max=25GHz,8.5dB at10GHz 4H-SiC M ESFET673f max=42GHz,4.6W/mm at3.5GHz6H-SiC JFET873Enhancement mode4H-SiC JFET723μeff=340cm2·V-1·s-1at300K BJ T673β≈5to15for npnGaN/SiC HBT808Very high d.c.gain(β>1×105 at300K)GaN/Al GaN HEM T6.9W/mm at10GHz,s emi_insu_ lating SiC substrateSIT473Output pow er225W at600M Hz, PAE47%,200V blocking, fmax=4GHzThyristor7736A,2kA/cm2maximum switched current densityPN junction diode8705.9k V breakdow n at300K Schottky diode973Over1kV break dow n at300KM OSFET:M etal-oxide_s emiconductor field effect transistor;M ES-FET:M etal-semiconductor field effect transistor;JFET:Junction field effect transistor;BJT:Bipolar junction trans istor;HBT:Heterojunction bipolar transistor;HEM T:High electron mobility transistor;SIT:S tat-icinduction trans istor;PAE:Pow er added efficiency.及功率密度(最大4.6W/mm)是目前在X波段(8～12GHz)使用的各宽带隙半导体中最高的.另外,Cree公司报道用50μm厚的4H-SiC外延层制成了击穿电压大于5.9kV(接近理论值)的P-i-N二极管.这些器件可以广泛用于人造卫星、火箭、雷达与通讯、战斗机、海洋勘探、石油钻井、汽车电子化等重要领域[1].在X 波段工作的SiC高频大功率器件目前已经实现,并已应用到军用雷达和卫星通讯方面,S波段(1.55～5.2GHz)工作的高频大功率器件已成功地应用到高清晰度电视图像的发送和传播领域.在美国海军研究署的支持下,以Purdue大学为中心,研究开发大功率微电子SiC器件,并已研制出双极晶体管、单片数字集成电路、CCD器件、双注入M OS器件、CM OS、DM OS集成电路等,他们的工作还受到弹道导弹防御办公室以及半导体研究公司的支持[34].美国防部高级研究计划局对这些研究成果给予了高度评价.表4列举了SiC材料及器件的一些具体应用及其优点[35～38].由表4可见,SiC器件极具应用前景.尤其值得一提的是GaN/SiC蓝光L ED.由于晶格非常匹配,SiC对GaN 外延生长而言是极好的衬底材料.Cree生产此类LED的产量超过1500万只/月.图11是A lGaN-G aN-AlG aN发光图11 GaN_SiC LED的光学特性[10]F ig.11 O ptical characterization ofG aN-SiC blueLEDs[10]·378· 硅 酸 盐 学 报 2002年 表4 4H -和6H -SiC 器件的一些具体应用及其优点[35～38]Table 4 Applications and benefits for devices fa bricated from 4H -and 6H -SiC substrates[35～38]ApplicationBenefitHigh frequency pow er devicesS olid state phased array radar s ystems Increase output pow er of s olid state RF devices by factor of 4Communication systemsReduce s ystem mass and vol umeS olid state UHF broadcast systems Operate in elevated temperature and high radiation environments High frequency pow er suppliesReduce device cooling requirementsElectronic coun ter meas u res ———jam ming and th reat w arning systemsOffer pow er dens ities that are 4times higher than S i or GaAs devicesHigh pow er devicesPower el ectronics for pow er generating systems Lower voltage drop for unipolar devices S urge suppressorsUp to 100times the power density of Si devices Power conditioning for electric vehicles Increased number of pow er devices per unit area Electronic actuators Reduced s ize and w eight of cooling s ystemsS olid state lamp ballastsExcell ent transien t characteristics including high s w itching speed andthe elimination of large revers e -recovery currentsHigh temperature devicesJet engine sensors ,actuators and control el ectronics Sens or output s ignal am plification at high temperatures S pacecraft pow er conditioning electronics and sensors Reduce or eliminate need for cooling of engine electronicsTransmitters for deep w ell drill ingSens or amplification at point of measurement eliminates need for heavy shielding conduit for small s ignal transmiss ionIndustrial p rocess measurement and con trol instrumentation Reliable sensing and control in aggressive environments not currently served by sol id _state el ectronicsDistributorless electronic ignitions Reduce s ize and w eight of s atell ites and space platforms by all ow ing electronics to operate at higher temperatureAutomotive engine s ensorsImproved device reliability due to long term chemical and thermal sta -bility at el evated temperaturesOptoelectronic devicesFull _color displaysHigh rel iabil ityFull _color photographic sl ide scanners and film exposure s ystemsBlue LEDs (ligh t emitting diode )us ed together w ith red and greenLEDs allow the p roduction of solid state ligh t of any color in the vis ible spectrumIndicators for instrumentation and consumer electronics Detectors operate at >350℃while maintaining excellent efficiency Blood _oxygen analysisNearly solar blind detection (99%of the response is in the UV range )Air quality monitoring equipmentPN junction leakage currents 104～105times less than Si j unctions for sensitivity up to 104times greater than common Si based UV photode -tectorsS olid state flame detectors for combustion control Low dark current el iminates need for cryogenic cool ing UV dosimetry for industrial processes UV spectroscopyIncoming ball istic miss il e detection and imagineⅢ—Ⅴnitride depositionBlue LEDs Clos e match of lattice parameters and coefficientBlue laser diodes High thermal conductivity s ubstrate offers greater pow er handl ing andimproved reliabilityM ES FETs Electrical conductivity allow s vertical device structureHEM Ts Best tech nological approach for s hort w avelength l aser diodes ,w hich significantly increase optical storage capacitiesGreen LEDs Electrical conductivity w hich ranges from ins ulating for microw ave de -vices to conducting for LEDs and las er diodes·379· 第30卷第3期 王玉霞等:宽带隙半导体材料SiC 研究进展及其应用 。
第三代半导体材料及制造工艺
SiC 的结构
SiC结构示意图a) 3C-SiC；b) 2H-SiC； c) 4H-SiC；d) 6H-SiC。
a) ABCABC…, 3C-SiCb) ABAB…, 2H-SiC；c) ABCBABCB…, 4H-SiCd) ABCACB…, 6H-SiC
SiC 优良的物理和化学性能
力学性质: 高硬度(克氏硬度为3000 kg/mm2)，可以切割红宝石；高耐磨性，仅次于金刚石。 热学性质: 热导率超过金属铜，是 Si 的3倍，是 GaAs 的 8-10 倍，散热性能好，对于大功率器件非常重要。SiC 的热稳定性较高，在常压下不可能熔化 SiC。 化学性质: 耐腐蚀性非常强，室温下几乎可以抵抗任何已知的腐蚀剂。SiC 表面易氧化生成 SiO2 薄层，能防止其进一步氧化，在高于1700 oC 时，这层 SiO2 熔化并迅速发生氧化反应。SiC能溶解于熔融的氧化剂物质。 电学性质: 4H-SiC 和 6H-SiC 的带隙约是 Si 的三倍，是 GaAs 的两倍；其击穿电场强度高于 Si 一个数量级，饱和电子漂移速度是 Si 的倍。4H-SiC 的带隙比 6H-SiC 更宽。
1824 年，瑞典科学家J. Jacob Berzelius 在试图制备金刚石时意外发现了这种新的化合物。1885 年，Acheson 用电弧熔炼法生长出 SiC, 但用这种方法形成的SiC质量较差，达不到大规模生产SiC器件所需的SiC单晶的质量要求。1955 年菲力浦研究室的 Lely 首先在实验室用升华法制备了杂质数量和种类可控的、具有足够尺寸的 SiC 单晶。具体过程：设计一个空腹的圆筒，将具有工业级的 SiC 块放入碳坩埚中，加热到 2500 oC， SiC 发生明显的分解与升华，产生 Si 和 SiC 的蒸汽，在高温炉内形成的温度梯度作用下向低温方向并凝聚在较低温度处，形成 SiC 晶体。此过程是一个“升华－凝聚”的过程，生长的驱动力是温度梯度。
氧化锌将成为下一代宽带隙半导体材料
氧化锌将成为下一代宽带隙半导体材料
最近几年人们发现氧化锌晶体在常温下存在紫外受激发射,有可能实现固体紫外和蓝光的激光发射,其独特的发光性能引起人们极大地关注,已成为当今各国高科技研究与开发前沿领域最重要的光电子半导体材料之一,世界各国尤其是美、韩三国科学家都以极大的热情投入了日、大量研究。
氧化锌还是良好的光催化材料,可用于环境中的生物降解,光触媒杀菌等。
氧化锌单晶是一种具有半导体、发光、压电、电光等应用的多功能晶体材料。
它具有纤锌矿结构(六方晶系),室温下氧化锌的禁带宽度为34eV,激.子结合能高达60MeV,其发光波长比GaN的蓝光波长还要短,可以进一步提高光存储的密度。
氧化锌以其诸多综合性能将成为下一代宽带隙半导体材料,生长大尺寸优质的氧化锌单晶无论对于基础研究和实际应用都有很重要的意义。
为了更好地研究氧化锌的半导体性能,有必要合成高质量的氧化锌单晶。
采用低温(200~300)水热法,可以合成氧化锌微晶和纳米粉体。
但要合成大的氧化锌单晶,则必须采用高温水热合成法、助熔剂法或气相沉积法。
常用的半导体材料有什么
常用的半导体材料有什么
在现代电子技术中，半导体材料扮演着至关重要的角色。
半导体材料是一类导电能力介于金属和绝缘体之间的材料，常被用于制造电子器件和集成电路。
以下是常用的几种半导体材料：
1.硅(Si)：硅是最常用的半导体材料之一，因其丰富的资源、良好的半
导体特性和较容易的加工工艺而广泛应用于集成电路制造中。
2.锗(Ge)：锗是另一种重要的半导体材料，它的导电性比硅好，适用于
一些特殊的应用场景。
3.砷化镓(GaAs)：砷化镓是III-V族化合物半导体材料，具有较高的电
子迁移率和较高的导电性能，被广泛用于高频器件和光电器件。
4.氮化镓(GaN)：氮化镓是一种新型的宽禁带半导体材料，具有高迁移
率和较高的耐高温性能，适用于制造功率器件和高频器件。
5.碳化硅(SiC)：碳化硅是一种宽带隙半导体材料，具有良好的热稳定
性和高电子饱和漂移速度，被广泛应用于高温电子器件和功率电子器件。
以上是几种常用的半导体材料，它们在现代电子技术中发挥着重要作用，不同的半导体材料具有不同的特性和适用范围，在电子器件设计和制造过程中需要根据具体需求进行选择和应用。
氧化锌是一种宽带隙半导体材料
氧化锌是一种宽带隙半导体材料
氧化锌是一种宽带隙半导体材料,在室温(300K)时带隙为3.37eV,且束缚激子能高达60meV,是一种具有很大潜在应用价值的紫外半导体光电器件材料。
许多年以前,在低温条件下已经观察到了ZnO体材料中电子束激发的受激发射;在成功地生长出ZnO量子点后,人们观察到了在室温下激子束缚能为60meV的光泵受激发射。
近年来,蓝绿激光器成为半导体激光器研究中的一个热点。
2000年,杨培东等人制备出纳米ZnO激光器的工作[将该领域的研究推向了一个高潮。
在该领域的研究中,提高ZnO的紫外透过率和增大ZnO的带隙是改善激光器短波长激光输出的一个有希望的途径。
MgO禁带宽度是7.7eV,在紫外区有较大的透过率,并且Zn2+（0.006nm）和Mg2+（0.057nm）的离子半径比较接近，Mg2+在ZnO晶格结构中有比较大的固溶度，所以，通过Mg的掺杂可以实现该目的。
在氧化锌中掺杂Ⅱ金属镁可以调整带隙的值和增强紫外发光强度，ZnO室温下禁带宽度为3.37eV，在紫外区具有优异的光电特性，掺入Mg组分后，形成ZnMgO合金半导体，可实现带隙在3.3eV(ZnO)～7.8eV(MgO)之间可调。
ZnMgO吸收边在紫外光区随Mg含量的增加而蓝移，能够覆盖地球大气臭氧层吸收的主要窗口200～280nm，所以氧化锌纳米微粒掺杂金属元素具有重要意义。
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2017/9/21
光刻技术
• 在SiO2薄膜上 形成图形为例
2017/9/21
曝光工艺
• 紫外（UV）和深紫外（DUV）光源是目前IC工业上普遍 应用的曝光光源 • UV曝光的主要方法有： 1. 接触式曝光 2. 接近式曝光 3. 投影式曝光
2017/9/21
曝光工艺
2017/9/21
曝光工艺
• 能带结构：间接跃迁型
2017/9/21
SIC材料
• SiC多型结构
2017/9/21
SIC材料
• 硬度、耐磨性 碳化硅具有高硬度，它的莫氏硬度为9.2—9.3，处于 金刚石和黄玉之间，可以切割红宝石。同样，它还具有高 耐磨性。 • 热稳定性 在常压下不可能熔化SiC，高压高温下，碳化硅的熔 点温度在2830（±40）℃，SiC升华分解为碳和含硅的 SiC蒸气 • 化学性质 SiC表面易生成SiO2层，SiC具有良好的抗放射性， SiC器件抗辐射能力是硅的10-100倍。
2017/9/21
GaN材料
• 随着半导体材料生长技术的突破和P型GaN的成功制备 — 1991年世界上第一个蓝光GaN LEDs 在日本日亚工业公 司问世 — 标志着新一代LEDs 的研制、开发和应用进入了 一个新的时期； • GaN具有比SiC更高的迁移率，更重要的是GaN可以形成 调制掺杂的GaN结构，该结构可以在室温下获得更高的电 子迁移率、极高的峰值 电子速度和饱和电子速度
2017/9/21
光刻技术
2017/9/21
光刻技术
光刻工艺的主要步骤（I）：
2017/9/21
光刻技术
• SiC器件制造工艺的重要特点： 1、原料来源的无限性； 2、典型的原料纯化和加工处理过程； 3、对生物圈造成的能量负荷和生态负荷低； 4、可以以基体自身的碳形成本征掩蔽膜，也存在本征氧 化物SiO2；
宽禁带半导体材料和工艺
-----彭领
Hale Waihona Puke WBS需求现状2017/9/21
半导体材料的发展
• 第一代半导体：元素半导体（Si，Ge） • 第二代半导体：化合物半导体（GaAs） • 第三代半导体：宽禁带半导体（SiC，GaN，金刚石）
2017/9/21
宽禁带半导体材料
• 宽禁带半导体的优点： 1、禁带宽度大 2、电子飘逸饱和速度高 3、介电常数小 4、导热性能好
2017/9/21
氧化工艺
• 在半导体生产中普遍采用干-湿-干的氧化方法
2017/9/21
氧化工艺
热氧的优点： （1）优良的绝缘体： 电阻率 > 1 1020 cm 能带宽度 ～ 9 eV （2）高击穿电场：> 10 MV/cm （3）稳定以及可再生的Si/SiO2界面 （4）在裸露硅表面氧化的保形覆盖好
S201502016
彭领
No great discovery was ever made without a bold guess
2017/9/21
SiC工艺
• 制备SiO2的方法 1. 热氧化法 2. 化学气相淀积法 3. 热分解淀积法 4. 溅射法 5. 真空蒸发法 6. 阳极氧化法等
2017/9/21
热氧化法
• 热氧化法：硅与氧或水汽等氧化剂在高温下生成 SiO2的过 程，具有很高的重复性
• 优点：质量好，表面态密度小，可很好控制界面陷阱和固 定电荷，性质不太受湿度和中等热处理温度的影响，因此 是集成电路中最重要的制备SiO2方法
2017/9/21
曝光工艺
2017/9/21
刻蚀
• 刻蚀，是指用化学或物理方法有选择地从硅片表面去除不 需要的材料的过程。刻蚀的基本目的，是在涂胶(或有掩 膜)的硅片上正确的复制出掩膜图形。
• 在半导体制造中有两种基本的刻蚀工艺：干法刻蚀和湿法 腐蚀。
2017/9/21
刻蚀
2017/9/21
Thank You
2017/9/21
光刻技术
• 光刻是集成电路工艺中的关键性技术，最早的构想来源于 印刷技术中的照相制版 • 概念：将掩模版上的图形（电路结构）“临时”（嵌套式 ）转移到硅片上的过程
• 光刻技术在半导体器件制造中的应用最早可追溯到1958 年，实现了平面晶体管的制作
• 光刻工艺的成本在整个IC芯片加工成本中几乎占三分之一 • IC集成度的提高，主要归功用于光刻技术的进步
2017/9/21
GaN材料
• GaN的应用 1、发光器件（LEDs, LDs); 2、场效应晶体管; 3、紫外光探测器; 4、微波波导 5、光存储器件
2017/9/21
SiC工艺
• SiC器件制造工艺的重要特点： 1、原料来源的无限性； 2、典型的原料纯化和加工处理过程； 3、对生物圈造成的能量负荷和生态负荷低； 4、可以以基体自身的碳形成本征掩蔽膜，也存在本征氧 化物SiO2；
2017/9/21
宽禁带半导体材料
2017/9/21
SIC材料
• 晶体结构：多型结构，常见的结构有立方结构的3C-SiC 和 六方结构的 6H-SiC 和4H-SiC ，目前已被证实的多型体有 200多种。其中6H-SiC最稳定。
• 纯碳化硅是无色透明的晶体。工业碳化硅因所含杂质的种 类和含量不同，而呈浅黄、绿、蓝乃至黑色
2017/9/21
GaN材料
• GaN晶格结构
2017/9/21
GaN材料
• GaN室温电子迁移率可达1000m2/(V·S)。 • GaN基系列半导体材料具有强的原子键、化学稳定性好， 在室温下不溶于水、酸和碱； • GaN基半导体也是坚硬的高熔点材料，熔点高达约 1770℃。 • GaN具有高的电离度，在III-V族化合物中是最高的（0.5 或0.43）。