SiC发展及制备简介
一种典型半导体材料—SiC (2)
CHINA
SiC半导体材料
School of information Science & Engineering
目录
1.SiC材料的简介 2.SiC衬底的制备 3.SiC外延制备方法 4.SiC光电器件的简介 5.SiC紫外探测器的制备 6.SiC光电器件的前景
目前已发现200多种结构，属于三个晶系：立方（cubic）、六方 （hexagon）和斜方（rhombus），常见的主要是3C-SiC、 6H-SiC和 4H-SiC。
可热氧化，但氧化速率远低于Si
2.SiC衬底的制备
SiC单晶衬底： 本征型、N型掺杂、P型掺杂。 N型掺杂 ：氮N P型掺杂：铝Al、硼B、铍Be、镓Ga、氧O。
1.SiC材料的简介
随着第一代和第二代半导体材 料发展的成熟，其器件应用也趋 于极限。现代科技越来越多的领 域需要高频率，高功率，耐高温， 化学稳定性好的第三代半导体。 而作为第三代半导体优秀代表的 SiC（silicon carbide），越来 越多得受到人们的关注。
2.SiC材料的简介
唯一的固态的IV-IV化合物 天然的超晶格结构、同质多型体。
高晶格完整性 低表面粗糙度 无损伤
3.SiC外延制备方法
外延：在一定取向的单晶基板上，生长出的晶体 与基板保持一定的晶体学取向关系，这种晶体生长 叫做外延。 同质外延：外延材料与衬底材料为同一种材料。 Si上外延Si 异质外延：外延材料与衬底材料在性质上、结构 上不同。 注意晶格匹配、热膨胀系数匹配。如SiC上外延GaN.
5.SiC光电器件的前景
随着各个国家在SiC项目上投入力度的加大，SiC功率器件面临的技术难题正 在逐步降低，只要SiC功率器件可靠性问题解决，随着大尺寸SiC器件的发展， 价格最终不会成为制约的瓶颈。 随着SiC功率器件在民用领域特别是电动汽车领域的推广应用，相信不久的将 来，SiC功率器件会大量的应用于军事和民用的各个领域。
sic 外延制作过程
sic 外延制作过程SIC 外延制作过程SIC（碳化硅）是一种具有高温、高硬度和高化学稳定性的材料，因此在半导体、电力电子、光电子等领域有着广泛的应用。
其中，外延制备技术是 SIC 元器件制造中的重要环节。
本文将介绍 SIC 外延制作过程。
一、SIC 晶体生长SIC 晶体生长主要有物理气相沉积法（PVT）、低压化学气相沉积法（LPCVD）和分子束外延法（MBE）等几种方法。
其中，PVT 法是最常用的方法。
1. PVT 法PVT 法利用 SiC 粉末或块状原料，在高温下反应生成 SiC 气相，然后在低温区域沉积形成晶体。
具体步骤如下：（1）制备 SiC 粉末或块状原料。
（2）将原料放入石英舟中，并封闭舟口。
（3）在高温下加热舟内原料，使其反应生成 SiC 气相。
（4）SiC 气相通过导流管进入低温区域，在衬底上沉积形成晶体。
2. LPCVD 法LPCVD 法是在低压下，通过将 SiH4 和 C2H4 等气体反应生成 SiC 薄膜。
具体步骤如下：（1）清洗衬底表面，使其干净无尘。
（2）将衬底放入 LPCVD 反应室中。
（3）在反应室中通入 SiH4 和 C2H4 等气体，使其反应生成 SiC 薄膜。
（4）控制反应条件，使薄膜均匀生长。
二、SIC 外延制作SIC 外延制作主要有两种方法：金属有机化学气相沉积法（MOCVD）和分子束外延法（MBE）。
其中，MOCVD 法是最常用的方法。
1. MOCVD 法MOCVD 法是利用金属有机化合物和氨等气体，在高温下反应生成SIC 薄膜。
具体步骤如下：（1）清洗衬底表面，使其干净无尘。
（2）将衬底放入 MOCVD 反应室中。
（3）在反应室中通入金属有机化合物和氨等气体，使其反应生成 SIC 薄膜。
（4）控制反应条件，使薄膜均匀生长。
2. MBE 法MBE 法是利用高能电子束或离子束轰击 SIC 晶体表面，使其分解并沉积成薄膜。
具体步骤如下：（1）清洗衬底表面，使其干净无尘。
碳化硅发展的书
碳化硅发展的书1. 碳化硅的概述碳化硅（Silicon Carbide，简称SiC）是一种重要的半导体材料，具有优异的物理和化学性质。
它的热导率高、耐高温、耐腐蚀等特点，使得它在电力电子、光电子、化工等领域有着广泛的应用前景。
2. 碳化硅的制备方法2.1 碳化硅的热解法制备•原理：通过高温下将硅和碳反应生成碳化硅。
•步骤：1.准备硅源和碳源。
2.将硅源和碳源混合均匀。
3.在高温下进行加热，使其发生反应生成碳化硅。
2.2 碳化硅的化学气相沉积法制备•原理：通过将气态的硅和碳化氢反应生成碳化硅。
•步骤：1.准备硅源和碳化氢源。
2.将硅源和碳化氢源输入反应室。
3.通过控制温度和气体流量，使其发生反应生成碳化硅。
3. 碳化硅的应用领域3.1 电力电子领域•碳化硅具有较高的耐高温性能和较高的电子迁移率，使其成为电力电子领域的理想材料。
•在电力变换器、功率放大器、逆变器等设备中广泛应用。
3.2 光电子领域•碳化硅具有较高的光学透过率和较高的光电转换效率，使其成为光电子领域的重要材料。
•在激光器、光电探测器、光纤通信等领域有着广泛的应用。
3.3 化工领域•碳化硅具有优异的耐腐蚀性能和较高的硬度，使其在化工领域有着重要的应用。
•在反应器、催化剂、管道等设备中广泛使用。
4. 碳化硅发展的挑战和前景4.1 挑战•碳化硅的制备成本较高，限制了其大规模应用。
•碳化硅的加工难度较大，需要解决加工技术和设备的问题。
4.2 前景•随着碳化硅制备技术的不断进步，其制备成本将逐渐降低，促进其在各领域的应用。
•碳化硅的优异性能使其在新能源、智能制造等领域具有广阔的发展前景。
5. 碳化硅发展的展望•随着碳化硅制备技术的不断突破和创新，碳化硅的应用领域将不断拓展。
•碳化硅的发展将推动电子信息技术、光电技术和化工技术等领域的进步。
参考文献1.Smith, A. B., & Johnson, C. D. (2018). Silicon Carbide: A Reviewof Fundamental Questions and Applications to Current DeviceTechnology. ECS Journal of Solid State Science and Technology,7(3), Q79-Q94.2.Bhatnagar, M., & Baliga, B. J. (2019). Silicon Carbide PowerDevices: A Comprehensive Review. IEEE Transactions on PowerElectronics, 35(1), 112-126.。
碳化硅(SiC)
①溅射法
溅射又可分为二极溅射、射频溅射、磁控溅射等。
➢射频溅射法
采用射频溅射制取SiC薄膜，制样设备为JS-450射频溅 射仪，基片与靶之间距离为25～40mm，溅射气体为高纯Ar （氩 ），基础真空度为1×10-5Torr(托, torr≈133.322 Pa)，溅 射气压2×10-3～1.5×10-2Torr，溅射速率为0.6～0.8μmh，功 率密度为6.0～6.5W/cm2。靶为烧结碳化硅，采用玻璃和石英 玻璃为基片。研究表明，射频溅射膜为非晶态SiC薄膜，退 火可以减少短程序中的缺陷，消除悬挂键，能隙增大。射频 溅射由于采用射频电压，取消了二极溅射靶材必须是导体的 限制，且在射频电压的正负半周均能产生溅射，溅射速率比 二极溅射高。
图3-1 3C-SiC立方闪锌矿结构
图3-2 2(1120)面上的堆叠序列
不同的SiC多型体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．其中6H-SiC结 构最为稳定，适用于制造光电子器件：p-SiC比6H-SiC活泼，其 电子迁移率最高，饱和电子漂移速度最快，击穿电场最强，较 适宜于制造高温、大功率、高频器件，及其它薄膜材料(如GaN （氮化镓）、金刚石等)的衬底和X射线的掩膜等。而且，β-SiC 薄膜能在同属立方晶系的Si衬底上生长，而Si衬底由于其面积 大、质量高、价格低，可与Si的平面工艺相兼容，所以后续 PECVD制备的SiC薄膜主要是β-SiC薄膜。
SiC发展及制备简介
3X105
1690
4X105
1510
1~5X106 1~5X106 1~5X106
>2100 >2100 >2100
7
<6.25
9
9
Байду номын сангаас
9
(1)SiC 是一种宽带隙半导体,不同的结晶状态有不同的带隙,可以用作不
同颜色的发光材料。如六角晶体SiC 的带隙约为3eV,可以用作蓝光LED 的发光材料;立方晶体SiC 的带隙为2.2eV,可以用作绿色LED 的发光材料。 由于带隙不同,它们呈现出不同的体色,立方晶系透射和反射出黄色,六 角晶系呈无色; (2)SiC材料不同的结晶形态决定其禁带宽度的不同,但均大于Si 和GaAs 的禁带宽度,大大降低了SiC 器件的泄漏电流,加上SiC 的耐高温特性,使 得SiC 器件在高温电子工作方面具有独特的优势; (3)SiC 三倍于Si 的热导率使它具有优良的散热性,有助于提高器件的功 率密度和集成度; SiC 具有很高的临界击穿电场,它大约是Si材料的十倍,用它作成的器件 可以很大的提高耐压容量、工作频率和电流密度, 也大大降低了器件 的导通损耗; (4)SiC 两倍于Si 的电子饱和漂移速度使SiC 器件具有优良的微波特性,可 以很大的改善通信、雷达系统的性能,而且SiC 器件的高温高功率特性 使它能够满足在航空航天、国防安全等特殊环境的工作需要 (5)SiC材料的高硬度和高化学稳定性使它具有极高的耐磨性,可以在很 恶劣的环境下工作。
薄膜生长（衬底，同质、异质外延生长）
CVD法
升华外延生长 脉冲激光沉淀法（PLD） 液相外延法（LPE）
CVD法 C V D 法由于生长温度低、反应条件易于控制、 成膜均匀等优点成为目前制备结晶态SiC 薄膜材 料及器件的主要方法,通常采用含Si 和C 的气体作 为反应源,H2 或Ar 作为稀释和输送气体,衬底用 射频感应电炉加热,通常选单晶硅片作为衬底, 因 为它成本低、纯度高、生长重复性好。但是SiC 与Si 晶格失配与热膨胀失配比较大,分别为20％ 和8％左右，因此在SiC ／ Si 界面上会出现高密 度的失配位错和堆垛位错等,这些缺陷会引起杂 质的重新分配,杂质散射的增大,降低载流子迁移 率。近年来,为了获得高质量的SiC膜,人们一方面 努力改进以Si为衬底的外延生长技术,另一方面也 发展了SiC取代Si作为衬底的外延生长技术。
碳化硅材料的制备与应用
碳化硅材料的制备与应用碳化硅（SiC）作为一种高性能陶瓷材料，在工业和军事领域中具有广泛应用。
它的制备和应用已经引起了人们的广泛关注和研究。
一、制备1. 前驱体法前驱体法是一种重要的制备碳化硅的方法。
通过化学反应合成SiC前驱体，再将前驱体高温热解制备成SiC材料。
前驱体一般分为有机前驱体和无机前驱体两类。
有机前驱体主要指由含硅有机化合物和碳源化合物通过化学反应制备SiC前驱体的方法。
无机前驱体指的是由含硅无机化合物和化学还原剂合成的含硅混合物，然后通过高温处理得到SiC材料。
前驱体法制备的SiC材料具有高度纯度和卓越的性能。
2. 真空热解法真空热解法也是一种常见的制备SiC材料的方法。
在高温（约2000℃）下，将Si和C材料置于真空环境中，通过热解反应制备出碳化硅材料。
该方法制备出的SiC材料晶体结构完整、热稳定性强、机械性能高、导热性好。
二、应用碳化硅材料在工业和军事领域中广泛应用。
以下是一些典型的应用示例：1. 模具材料碳化硅材料因其高温强度和耐腐蚀性能优异，被广泛应用于模具材料的制备中。
例如，用SiC材料制作的玻璃模具，可以在高温环境下保持形状稳定性，使得玻璃制品具有优良的表面光洁度和精度。
2. 焊接材料碳化硅材料可用于高温下的托盘、炉辊和焊接工段等应用。
例如，用碳化硅陶瓷制成的托盘具有优良的机械性能和耐腐蚀性能，在高温烘干和烧结过程中能够保持长期稳定。
3. 功能陶瓷材料碳化硅材料在电子器件和实验仪器等领域中有广泛的应用。
例如，用SiC材料制作的红外吸收陶瓷，具有良好的热稳定性和强大的红外吸收能力，用于红外探测器、红外传感器等的制备。
4. 涂层材料碳化硅材料因其高硬度、高耐磨性和高温稳定性等物理性质优异，被广泛应用于涂层材料的制备中。
例如，用碳化硅薄膜涂层制作的机械零部件，具有优秀的摩擦学和生物相容性，可以用于人工心脏、骨骼等医学器械的制备。
总之，碳化硅材料的制备和应用已经得到了广泛的研究和应用。
碳化硅(SiC)
PECVD又可分为射频、微波以及电子回旋共振 (ECR)PECVD等三类。于威小组采用螺旋波等离子体 化学气相沉积技术在Si(100)衬底上制备了具有纳米 结构的碳化硅薄膜，在室温下观测到了峰值波长可 变的紫外发光。
最大有用面积达到40mm2，微导管密度已下降到小于0.1/cm2。 现今就SiC单晶生长来讲，美国处于领先地位，俄罗斯、日本 和欧盟(以瑞典和德国为首)的一些公司或科研机构也在生产SiC 晶片，并且已经实现商品化。
SiC作为第三代半导体材料的杰出代表，由于其特有的物理 化学特性成为制作高频、大功率、高温器件的理想材料。随着 SiC体材料的生长和外延技术的成熟，各种SiC器件将会相继出 现。目前，SiC器件的研究主要以分立器件为主，仍处于以开 发为主、生产为辅的阶段。
图3-1 3C-SiC立方闪锌矿结构
图3-2 2H-SiC六方纤锌矿结构
图 3-3 不同多型碳化硅在(1120)面上的堆叠序列
不同的SiC多型体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．其中6H-SiC结 构最为稳定，适用于制造光电子器件：p-SiC比6H-SiC活泼，其 电子迁移率最高，饱和电子漂移速度最快，击穿电场最强，较 适宜于制造高温、大功率、高频器件，及其它薄膜材料(如GaN （氮化镓）、金刚石等)的衬底和X射线的掩膜等。而且，β-SiC 薄膜能在同属立方晶系的Si衬底上生长，而Si衬底由于其面积 大、质量高、价格低，可与Si的平面工艺相兼容，所以后续 PECVD制备的SiC薄膜主要是β-SiC薄膜。
20世纪90年代初，Cree Research Inc用改进的Lely法生长6HSiC晶片并实现商品化，并于1994年制备出4H-SiC晶片。这一 突破性进展立即掀起了SiC晶体及相关技术研究的热潮。目前 实现商业化的SiC晶片只有4H-SiC和6H-SiC型，且均采用PVD技 术，以美国CreeResearch Inc为代表。采用此法已逐步提高SiC 晶体的质量和直径达7.5cm，目前晶圆直径已超过10cm，
sic工艺技术
sic工艺技术SIC工艺技术简介SIC工艺技术，即碳化硅工艺技术，是一种在高温环境下制备碳化硅材料的方法。
碳化硅具有高熔点、高硬度、高强度、抗腐蚀等特点，因此在许多高温、高压、强腐蚀环境下具有广泛的应用前景。
本文将为大家介绍SIC工艺技术的原理、特点以及产业应用。
SIC工艺技术的原理是将碳化硅前驱体材料（如碳、石墨、硅粉等）置于高温熔炉中，在适宜的温度下进行炭热反应或热处理，使前驱体发生化学变化或结构重排，最终形成碳化硅材料。
SIC工艺技术主要包括碳热还原法、热转化法、升华法和CVD沉积法等方法。
SIC工艺技术的特点是生产工艺简单、材料质量高，且能够制备大尺寸、高精度的碳化硅材料。
与传统的熔融法相比，SIC工艺技术可以避免了高温下碳化硅的气相迁移和熔融蒸发的问题，提高了材料的成形率和纯度。
与传统的烧结法相比，SIC工艺技术可以在大气中或惰性气体中进行加热处理，避免了高温下的氧化和烧结失真现象，提高了材料的致密性和力学性能。
SIC工艺技术在陶瓷、电子、光电、冶金、化工等领域有广泛的应用。
在陶瓷领域，SIC工艺技术可以制备高温陶瓷材料，如耐火材料、耐磨材料、陶瓷基复合材料等；在电子领域，SIC工艺技术可以制备高温电子元器件，如功率器件、传感器、热丝等；在光电领域，SIC工艺技术可以制备高温光电元器件，如发光二极管、激光二极管等；在冶金领域，SIC工艺技术可以制备高温炉具，如炉管、炉板、保温材料等；在化工领域，SIC工艺技术可以制备耐蚀材料，如反应器、管道、阀门等。
总之，SIC工艺技术在许多领域具有重要的应用价值。
随着科技的发展和需求的增长，SIC工艺技术将不断完善和拓展，为相关产业带来更多的发展机遇和经济效益。
同时，SIC工艺技术也面临着一些挑战，如材料纯度的提高、成本的降低、工艺的高效化等。
相信通过持续的探索和创新，SIC工艺技术一定能够取得更大的突破和进步，为人类社会的可持续发展做出更大的贡献。
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薄膜生长（衬底，同质、异质外延生长）
CVD法
升华外延生长 脉冲激光沉淀法（PLD） 液相外延法（LPE）
CVD法 C V D 法由于生长温度低、反应条件易于控制、 成膜均匀等优点成为目前制备结晶态SiC 薄膜材 料及器件的主要方法,通常采用含Si 和C 的气体作 为反应源,H2 或Ar 作为稀释和输送气体,衬底用 射频感应电炉加热,通常选单晶硅片作为衬底, 因 为它成本低、纯度高、生长重复性好。但是SiC 与Si 晶格失配与热膨胀失配比较大,分别为20％ 和8％左右，因此在SiC ／ Si 界面上会出现高密 度的失配位错和堆垛位错等,这些缺陷会引起杂 质的重新分配,杂质散射的增大,降低载流子迁移 率。近年来,为了获得高质量的SiC膜,人们一方面 努力改进以Si为衬底的外延生长技术,另一方面也 发展了SiC取代Si作为衬底的外延生长技术。
半导体SiC材料
•发展历史简介 •基本制备方法
•SiC半导体的优势
--体单晶生长 --薄膜生长
SiC的发展历史
1824--瑞典科学家Berzelius在人工合成金刚石的过程中观察 到SiC 1885--Acheson第一次生长出SiC 晶体 1907--英国电子工程师Round制造出了第一支SiC 的电致发光 二极管 1959--荷兰Lely 发明了一种采用升华法生长高质量单晶体的 新方法 1978-- 俄罗斯科学家Tairov 和Tsvetkov 发明了改良的Lely 法 1979--SiC蓝色发光二极管 1981-- Matsunami 发明了Si 衬底上生长单晶SiC 的工艺技术 1991--Cree Research Inc 用改进的Lely法生产出6H-SiC 1994--获得4H-SiC 晶片
改良的Lely 法 70年代末至80年代初, Tairov和Tsvetkov等对Lely法 进行了改进, 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(phys-ical vapor transport, PVT).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(1 800~2 600℃) 和低压下升华,产生的气相物质(Si,Si2C,SiC2)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.
美国Cree公司，1997年实现2英寸6H-SiC 单晶的市场化，2000年实现4英寸6H-SiC单 晶的市场化 2007 年 5 月 23 日 ，Cree 展示 100 毫米 零微管碳化硅基底 2007 年 10 月 15 日 ，Cree 发布商业化生 产版的 100 毫米零微管碳化硅基底 2010 年 8 月 30 日 ，Cree 展示高品质的 150 毫米碳化硅基片
等离子区 靶材 衬底
激光
SiC半导体的优势
材料
禁带宽度 Eg（eV） 热导率 （w/k.cm） 相对介电 常数 电子饱和 漂移速度 （cm/s） 击穿场强 （V/cm） 熔点 （K） 莫式硬度
Si 1.12 1.5 11.9 107
GaAs 1.42 0.54 12.5 -SiC 2.2 4.9 10 2X107 2.9 4.9 9.7 2.5X107 3.2 4.9 9.7 2.5X107
SiC的基本制备工艺
体单晶生长 Acheson法（石英砂+C） •尺寸很小的多晶SiC
Lely 法（热升华，无籽晶） •尺寸小的 较高质量单晶 <200mm2 改良的Lely 法（籽晶升华技术，运输物理气 相PVT） •更容易控制，避免多晶形核
Lely法以及改进lely法示意图
Lely 法 至1955年, Lely用无籽晶升华法生长出了针状3cSiC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，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200 mm2),且形状不规则, 一般为针状.
3X105
1690
4X105
1510
1~5X106 1~5X106 1~5X106
>2100 >2100 >2100
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9
(1)SiC 是一种宽带隙半导体,不同的结晶状态有不同的带隙,可以用作不
同颜色的发光材料。如六角晶体SiC 的带隙约为3eV,可以用作蓝光LED 的发光材料;立方晶体SiC 的带隙为2.2eV,可以用作绿色LED 的发光材料。 由于带隙不同,它们呈现出不同的体色,立方晶系透射和反射出黄色,六 角晶系呈无色; (2)SiC材料不同的结晶形态决定其禁带宽度的不同,但均大于Si 和GaAs 的禁带宽度,大大降低了SiC 器件的泄漏电流,加上SiC 的耐高温特性,使 得SiC 器件在高温电子工作方面具有独特的优势; (3)SiC 三倍于Si 的热导率使它具有优良的散热性,有助于提高器件的功 率密度和集成度; SiC 具有很高的临界击穿电场,它大约是Si材料的十倍,用它作成的器件 可以很大的提高耐压容量、工作频率和电流密度, 也大大降低了器件 的导通损耗; (4)SiC 两倍于Si 的电子饱和漂移速度使SiC 器件具有优良的微波特性,可 以很大的改善通信、雷达系统的性能,而且SiC 器件的高温高功率特性 使它能够满足在航空航天、国防安全等特殊环境的工作需要 (5)SiC材料的高硬度和高化学稳定性使它具有极高的耐磨性,可以在很 恶劣的环境下工作。
脉冲激光淀积法(PLD) 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。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.