宽禁带半导体材料特性及生长技术_何耀洪
宽禁带半导体技术
宽禁带半导体技术
宽禁带半导体技术是指使用宽禁带半导体材料（如碳化硅SiC和氮化镓GaN）来制造电子器件的技术。
这些材料具有比传统硅（Si）和砷化镓（GaAs）更宽的能隙，因此被称为第三代半导体材料。
宽禁带半导体技术在高功率、高频率、高电压和高温应用中具有独特的优势，这使得它们在多个领域成为硅基半导体技术的替代品。
以下是宽禁带半导体技术的一些关键特点和优势：
1. 高能隙：宽禁带半导体材料具有更高的能隙，这意味着它们可以在更高的温度、电场和辐射环境中稳定工作，而不会像硅那样容易发生击穿。
2. 高热导性：宽禁带半导体材料通常具有更好的热导性，这有助于在功率电子应用中更有效地散热，从而提高器件的可靠性和寿命。
3. 高电子迁移率：宽禁带半导体材料具有高电子迁移率，这使得它们在高速电子器件中具有潜在的应用，例如在无线通信和雷达系统中。
4. 高功率密度：由于宽禁带半导体材料能够承受更高的电场，因此可以在更小的体积内实现更高的功率密度，这对于提高能源效率和减小设备尺寸具有重要意义。
5. 耐高温：宽禁带半导体材料能够在高达300°C以上的温度下工作，这使得它们适合于汽车、航空航天和工业应用中的高温环境。
6. 减少电磁干扰：宽禁带半导体材料的高频特性有助于减少电磁干扰（EMI），这对于提高电子系统的可靠性和兼容性是有益的。
宽禁带半导体技术目前正处于快速发展阶段，其在电力电子、电动汽车、可再生能源、先进通信和军事应用等领域的前景广阔。
随着制造技术的进步和成本的降低，预计宽禁带半导体将在未来的电子市场中占据越来越重要的地位。
宽禁带半导体碳化硅
宽禁带半导体碳化硅一、介绍宽禁带半导体碳化硅是一种新型的半导体材料，具有广泛的应用前景。
本文将从以下几个方面对宽禁带半导体碳化硅进行探讨：介绍宽禁带半导体的概念、碳化硅的特点、宽禁带半导体碳化硅的制备方法以及其在电子器件中的应用。
二、宽禁带半导体的概念宽禁带半导体是指具有较大能隙的半导体材料，其能隙大于1.5电子伏特。
相比于传统的半导体材料，宽禁带半导体具有以下几个显著特点： - 高温特性优异：宽禁带半导体具有较高的热稳定性和较低的载流子浓度，可以在高温环境下工作，适用于高温电子器件的制造。
- 高电场特性优异：宽禁带半导体具有较高的击穿场强，可以承受较高的电压，适用于高压电子器件的制造。
- 高频特性优异：宽禁带半导体具有较高的载流子迁移率和较低的电容，可以实现高频电子器件的制造。
三、碳化硅的特点碳化硅是一种具有宽禁带特性的半导体材料，其具有以下几个特点： 1. 宽带隙：碳化硅具有较大的带隙，能够承受高温和高电压的工作环境。
2. 高载流子迁移率：碳化硅具有较高的载流子迁移率，可以实现高频电子器件的制造。
3. 良好的热导性：碳化硅具有良好的热导性，可以有效散热，提高电子器件的工作效率。
4. 良好的化学稳定性：碳化硅具有良好的化学稳定性，可以在恶劣环境下工作。
四、宽禁带半导体碳化硅的制备方法宽禁带半导体碳化硅可以通过以下几种方法制备： 1. 化学气相沉积法（CVD）：将碳源和硅源在高温下反应，生成碳化硅薄膜。
该方法制备的碳化硅薄膜具有较高的质量和较好的薄膜均匀性。
2. 分子束外延法（MBE）：通过分子束的热蒸发沉积碳和硅原子，使其在衬底上形成碳化硅薄膜。
该方法制备的碳化硅薄膜具有较高的晶格质量和较好的界面性能。
3. 溅射法：将碳化硅靶材置于惰性气体环境中，施加高电压使靶材发射离子，形成碳化硅薄膜。
该方法制备的碳化硅薄膜具有较高的附着力和较好的膜层致密性。
五、宽禁带半导体碳化硅的应用宽禁带半导体碳化硅在电子器件中具有广泛的应用前景，主要包括以下几个方面：1. 高温电子器件：宽禁带半导体碳化硅具有较高的热稳定性和较低的载流子浓度，适用于高温电子器件的制造，如高温功率器件、高温传感器等。
宽禁带半导体材料
02
宽禁带半导体材料的种类与性质
氮化镓(GaN)的性质与制备
• 性质 • 高临界击穿电场 • 高电子迁移率 • 良好的热稳定性 • 制备 • 高温高压化学气相沉积法 • 金属有机化学气相沉积法 • 分子束外延生长法
碳化硅(SiC)的性质与制备
• 性质 • 高禁带宽度 • 高热导率 • 高电子迁移率 • 制备 • 化学气相沉积法 • 熔融法 • 机械化学法
激光器与光电子器件
总结词
高功率、低阈值、高速、小型化、集成化
详细描述
宽禁带半导体材料在激光器与光电子器件方面具有广泛的应用。由于宽禁带半导体材料具有高击穿场强、高饱 和电子速度等特性，因此非常适合制作高功率、高速、小型化和集成化的激光器与光电子器件。此外，宽禁带 半导体材料还可以显著降低激光器的阈值，提高其工作效率。
2
探索低缺陷宽禁带半导体材料生长技术，提高 材料质量，是降低成本的重要途径。
3
开发新型宽禁带半导体材料合成方法，简化生 产流程，提高产量和降低成本。
发展新型宽禁带半导体材料与器件
01
针对不同应用领域，开发具有优异性能的新型宽禁带半导体材 料，如高迁移率、高击穿场强、高热导率等。
02
探索新型宽禁带半导体器件结构，提高器件性能和稳定性，如
宽禁带半导体材料
xx年xx月xx日
目录
Байду номын сангаас
• 宽禁带半导体材料概述 • 宽禁带半导体材料的种类与性质 • 宽禁带半导体材料的应用 • 宽禁带半导体材料的研究进展与挑战 • 展望未来：宽禁带半导体材料的发展趋势与挑战
01
宽禁带半导体材料概述
定义和特性
宽禁带半导体材料定义
宽禁带半导体材料是指禁带宽度大于2.3 eV的材料，具有高 热导率、高击穿场强、高饱和电子速度等特性。
超宽禁带半导体材料技术关键核心技术
超宽禁带半导体材料技术关键核心技术超宽禁带半导体材料技术是当今半导体领域的一个重要研究方向。
它具有广泛的应用前景，可以在光电子器件、高温电子器件、高功率电子器件等领域发挥重要作用。
本文将从材料的定义、特性、制备方法以及应用等方面进行探讨。
我们来了解一下超宽禁带半导体材料的定义。
超宽禁带半导体材料是指具有较大能隙（禁带宽度）的半导体材料。
相比传统的半导体材料，超宽禁带半导体材料的禁带宽度通常大于3电子伏特（eV），甚至可以达到10eV以上。
这种特殊的禁带宽度使得超宽禁带半导体材料具有一些独特的性质和应用。
超宽禁带半导体材料的特性主要包括以下几个方面。
首先，由于禁带宽度较大，超宽禁带半导体材料具有较高的载流子禁带能量，可以实现高温下的电子传输。
其次，超宽禁带半导体材料的载流子迁移率较高，具有较好的导电性能。
此外，超宽禁带半导体材料还具有较高的光吸收系数和较低的光子能量损失，可以实现高效的光电转换。
针对超宽禁带半导体材料的制备方法，目前主要有以下几种。
一种是通过合金化方法，将两种或多种禁带宽度不同的半导体材料进行合金化，形成超宽禁带半导体材料。
另一种是通过掺杂方法，在传统的半导体材料中引入特定的杂质，改变其禁带宽度，从而形成超宽禁带半导体材料。
此外，还可以通过物理气相沉积、分子束外延等方法来制备超宽禁带半导体材料。
超宽禁带半导体材料在各个领域都有广泛的应用。
在光电子器件方面，超宽禁带半导体材料可以用于制造高效的太阳能电池、光电探测器等器件，提高能量转换效率。
在高温电子器件方面，超宽禁带半导体材料可以用于制造高温传感器、高温功率器件等，具有较好的稳定性和可靠性。
在高功率电子器件方面，超宽禁带半导体材料可以用于制造高功率电子器件，提高电子器件的工作效率和可靠性。
超宽禁带半导体材料技术是当前半导体领域的一个热门研究方向。
通过对材料的定义、特性、制备方法以及应用进行探讨，我们可以看到超宽禁带半导体材料具有广阔的应用前景和重要的科学研究价值。
宽禁带半导体ZnO材料的调研
详细描述
脉冲激光沉积法利用高能脉冲激光照射在锌 靶上，产生高温高压等离子体，其中包含锌 原子和氧原子。这些原子在飞向衬底的过程 中发生化学反应，生成ZnO沉积在衬底上。 通过控制激光能量、脉冲频率、衬底温度等 参数，可以调节ZnO薄膜的生长速度和晶体 质量。
脉冲激光沉积法
总结词
脉冲激光沉积法是一种利用激光诱导化学反 应制备ZnO材料的方法，通过将高能脉冲激 光照射在锌靶上，产生高温高压等离子体， 再与氧气反应生成ZnO沉积在衬底上。
ZnO材料的应用领域
03
ZnO材料的应用领域
电子器件
发光二极管
ZnO具有高导电性和宽禁带特性， 可用作蓝光LED的基底材料，广 泛应用于显示、照明等领域。
太阳能电池
ZnO作为宽禁带半导体材料，具有 较高的光吸收系数和良好的光学稳 定性，在太阳能电池领域具有潜在 的应用价值。
场效应晶体管
ZnO基场效应晶体管因其高迁移率 和良好的稳定性，在集成电路、微 电子器件等领域具有广阔的应用前 景。
宽禁带半导体的定义
宽禁带半导体
指禁带宽度较大的半导体材料，通常禁带宽度大于2.3eV。这类半导体材料具有高热导率、高击穿场 强、高饱和电子速度等优点，在高温、高频率、高功率器件以及光电器件等领域具有广泛的应用前景 。
ZnO材料
是一种宽禁带半导体材料，禁带宽度为3.37eV，在室温下表现出高激子束缚能（60meV）和高热导率等 特点。ZnO材料还具有优异的光学性能和电学性能，使其在紫外光电器件、短波长激光器、气体传感器和 太阳能电池等领域具有广泛的应用前景。
详细描述
化学气相沉积法利用气态的锌源和氧气发生化学反应，在衬底上生成ZnO晶体。常用的锌源包括锌粉、锌盐等， 衬底材料则根据需要选择，如蓝宝石、硅等。通过控制温度、压力、气体流量等参数，可以调节ZnO薄膜的生长 速度和晶体结构。
宽禁带二维半导体材料
宽禁带二维半导体材料宽禁带二维半导体材料（Wide Bandgap 2D Semiconductor Materials）引言：随着科技的不断进步，人们对高性能电子器件的需求越来越大。
传统的半导体材料在一些特定应用中已经显示出其局限性，因此，研究人员开始转向新型的半导体材料。
宽禁带二维半导体材料就是其中一种备受关注的材料。
本文将介绍宽禁带二维半导体材料的基本特性、应用前景以及面临的挑战。
一、宽禁带二维半导体材料的基本特性宽禁带二维半导体材料是指具有较大带隙的二维结构材料。
相对于传统的半导体材料，宽禁带材料的带隙更大，其导电性能以及热稳定性更好。
这使得宽禁带二维半导体材料在高温、高频以及高功率应用方面具备巨大潜力。
此外，宽禁带材料还具有较高的载流子迁移率和较低的电子-空穴对再结合速率，这使得其在光电子学领域也具备广阔的应用前景。
1.高性能电子器件：宽禁带二维半导体材料的高导电性和热稳定性使其成为高性能电子器件的理想选择。
例如，它可以应用于功率放大器、高频电路以及高温电子器件等领域，以满足现代电子设备对高性能的需求。
2.光电子学：宽禁带二维半导体材料具有较高的光吸收系数和较长的载流子寿命，这使其在光电子学领域具备广泛应用的潜力。
例如，它可以用于光电探测器、太阳能电池以及光电传感器等设备中，以实现高效能的光电转换。
3.柔性电子学：由于宽禁带二维半导体材料的柔性和薄膜特性，它可以应用于柔性电子学领域。
例如，它可以用于制造柔性显示器、可穿戴设备以及智能传感器等，为人们提供更加舒适和方便的电子产品。
三、宽禁带二维半导体材料面临的挑战尽管宽禁带二维半导体材料具备许多优异的特性，但是其研究和应用仍然面临一些挑战。
主要挑战包括以下几个方面：1.材料制备：目前，宽禁带二维半导体材料的制备方法还不够成熟和可靠。
科研人员需要寻找更加有效和可扩展的制备方法，以满足实际应用的需求。
2.界面特性：宽禁带二维半导体材料的界面特性对器件性能有着重要影响。
课程名称宽禁带半导体材料与器件(精)
第五章GaN基半导体电子器件
5.1AlGaN/GaN异质结
5.2GaN基HEMT器件的特性
5.3GaN基HEMT器件的电流崩塌效应
5.4硅衬底上GaN基HEMT器件
5.5GaN基MISHFET和HBT器件
第六章SiC基半导体器件
7.1 SiC基光电子器件
7.2 SiC基整流管
7.3 SiC基金属-氧化物-半导体场效应管
开课学期：
总学时/讲授学时：32/
学分：
先修课程要求：固体物理或半导体物理
课程组教师姓名
职称
专业
年龄
学术专长
陈长清
教授
半导体
37
半导体
黄黎蓉
副教授
半导体
39
半导体
吴志浩
副教授
半导体
28
半导体
戴江南
博士后
半导体
28
半导体
教学大纲：（章节目录）
本课程共分为七章进行授课：
第一章宽禁带半导体导论
第二章宽禁带半导体材料生长
7.4 SiC基结型场效应管(JFET)和肖特基栅场效应管(MESFET)
7.5 SiC基双极结型晶体管(BJT)和绝缘栅双极晶体管(IGBT)
第七章ZnO基半导体器件
7.1 ZnO基光电子器件
7.2 ZnO基电子器件
教学大纲（续）
教材：
宽禁带半导体材料与器件（自编）
主要参考书：
（1）半导体发光二极管及固态照明，史光国等，科学出版社
（2）微电子器件与IC设计，刘刚等，科学出版社
（3）碳化硅宽带隙ຫໍສະໝຸດ 导体技术，郝跃等，科学出版社（4）化合物半导体材料与器件，谢孟贤等，电子科技大学出版社
宽禁带半导体材料在新型显示技术中的应用
宽禁带半导体材料在新型显示技术中的应用随着科技的进步和人们对高质量显示的需求不断增加，新型显示技术逐渐崭露头角。
其中，宽禁带半导体材料在新型显示技术中的应用引起了广泛关注。
本文将探讨宽禁带半导体材料在新型显示技术中的应用前景，并对其潜在的影响进行分析。
一、宽禁带半导体材料的概念和特点宽禁带半导体材料是指能带宽度较大的半导体材料，其能带宽度大于2电子伏特。
相比于传统的窄禁带半导体材料，宽禁带半导体材料具有以下几个显著特点：1. 高温工作能力：宽禁带半导体材料具有较高的热稳定性和高温工作能力，能够在高温环境下保持较好的电子迁移率和导电性能。
2. 高亮度和高对比度：由于宽禁带半导体材料的能带结构特殊，其能够实现更高的亮度和对比度，使显示效果更加清晰和鲜艳。
3. 快速响应速度：宽禁带半导体材料的载流子迁移速度较快，能够实现更快的像素切换速度，提高显示屏的响应速度。
二、宽禁带半导体材料在OLED显示技术中的应用OLED（Organic Light Emitting Diode）是一种新型的显示技术，利用有机发光材料和电致发光原理实现显示效果。
宽禁带半导体材料在OLED显示技术中的应用具有重要意义。
1. 提高发光效率：宽禁带半导体材料能够提高OLED的发光效率，使其能够实现更高的亮度和更低的功耗。
这将有助于延长设备的续航时间，并提升用户体验。
2. 实现真正的柔性显示：宽禁带半导体材料具有良好的柔性和可弯曲性，能够适应各种复杂的曲面显示需求。
这将为柔性显示技术的发展提供了新的可能性。
3. 打破尺寸限制：宽禁带半导体材料的高亮度和高对比度特性，使得OLED显示屏可以实现更大尺寸的制造。
这将推动大尺寸OLED显示屏的发展，满足用户对大屏幕显示的需求。
三、宽禁带半导体材料在量子点显示技术中的应用量子点显示技术是一种基于半导体纳米晶体的新型显示技术，具有色彩饱和度高、能耗低等优点。
宽禁带半导体材料在量子点显示技术中的应用有以下几个方面：1. 实现更宽广的色域：宽禁带半导体材料能够提供更宽广的色域，使得量子点显示屏能够呈现更丰富和真实的色彩。
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宽禁带半导体材料特性及生长技术何耀洪, 谢重木(信息产业部电子第46所,天津,300220)摘要:叙述了宽带半导体材料SiC、G aN的主要特性和生产长方法,并对其发展动态和存在问题进行了简要评述。
关键词:宽禁带半导体材料;碳化硅;氮化硅中图分类号:TN304 文章编号:1005-3077(1999)-04-0031-09The Characteristics and Growth Methods ofWide Bandgap Semiconductor MaterialsHE Yaohong, XIE Chongmu(T he46th Research Institute,M.I.I.,T ianjin,300220)A bstract:The paper presents the main characteristics and g rowth methods o f wide bandgap semiconduc-tor materials,In aditio n,the lastest developments and problems o n SiC and GaN to be reviewed.Key words:w ide bandgap semiconductor materials;SiC;G aN1 引 言 在半导体工业中,人们习惯地把锗(Ge)、硅(Si)为代表的元素半导体材料称为第一代半导体材料,把砷化镓(GaAs)、磷化铟(InP)为代表的化合物半导体材料称为第二代半导体材料,而把碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)为代表的化合物半导体材料称为第三代半导体材料,由于SiC和GaN材料的禁带宽度较Si、GaAs等材料更宽,因而它们一般具有高的击穿电场、高的热导率、高的电子饱和速率及更高的抗辐射能力,因而更适合于制作高温、高频及大功率器件,故称这类材料为宽禁带半导体材料,也称高温半导体材料。
它们在微电子和光电子领域中具有十分广阔的应用潜在优势,如AlGaN HFET最大振荡频率超过100GHz,功率密度大于5.3W/m m(在10GHz时),4H-SiC M EFET在850M Hz(CW)和10GHz(PW)时功率密度3.3W/mm,4H-SiC PIN二极管击穿电压高达5.5kV;在可见光全光固体显示、高密度存储、紫外探测及在节能照明(半导体激光光源能耗仅为相当亮度白炽灯泡的十分之一,而寿命长达10～15年)等方面开创了广阔的应用前景。
2 SiC材料特性及生长技术 近年来,随着半导体器件在航空航天、石油勘探,核能、汽车及通信等领域应用的不断扩收稿日期:1999-11-30大,人们开始着手解决耐高温、大功率、抗辐射的电子和光电子器件的问题。
SiC作为宽禁带半导体材料的代表首先引起人们的极大注意。
人们很早就发现了SiC材料具有独特的物理、化学性质,尤其是半导体性质。
SiC研究始于1892年,到本世纪50年代才有较大进展。
80年代,由于SiC体单晶和膜制备技术的进步,使SiC器件研究蓬勃开展起来。
近年来,改进的体SiC单晶制备技术的开发与进展,更大大地促进了SiC半导体材料的应用与发展[1,2]。
2.1 SiC的基本特性 SiC结晶学特性 SiC晶体具有强的共价键结构,这种结构中的每个原子被四个异种原子所包围,反映其能量稳定性。
使它具有高的硬度、高熔解温度、高的化学稳定性和抗辐射能力。
SiC是Ⅳ-Ⅳ族二元化合物,也是元素周期表Ⅳ族元素中唯一一种固态化合物。
它由C和Si原子组成,结构具有同质多型体的特点,在具有化学计量比的相同组成条件下,原子的积层方式沿晶体C轴方向不同,从而形成多种晶体结构现象。
已发现SiC有200多种异型体,常用的3C-SiC (也称为β-SiC),4H,6H,15R-SiC(一般统称为α-SiC)。
其中6H-SiC结构最为稳定,适用于制造光电子器件;β-SiC较适宜于高温半导体器件。
SiC的带隙结构为间接带隙,这限制了它的发光效率,在光电子领域中的作用受到障碍。
另外,由于Si原子的负电性(约1.8)与碳原子的负电性(约2.6)的差别,影响了共价键的性质。
按Panliing公式计算,离子键合作用的贡献约占12%,这一点对SiC晶体载流子迁移率、漂移特性及光学特性带来一定的影响。
SiC的物理化学性质 SiC具有优良的力学特性:莫氏硬度为9.2～9.3,低于金刚石而高于刚玉。
是优良的磨削材料;杨氏模量为4×104kg/m m2;优良的抗放射特性(>105W/cm2)(SiC器件对辐射的稳定性比Si器件高10～100倍);高的雪崩击穿强度(2.2×107cm/s)。
载流子寿命和扩散长度随温度增加而增大。
它还有高的声波传播速度(7～8km/s),可用作声表面波功能器件;在宽的可见光波(特别是短波长)有发光效能;在SiO2-SiC界面上,表面态密度不高(1010～1011/cm)在SiO2-SiC界面上产生复合过程的速度低,对MOS器件有利。
SiC及其它几种半导体性能参数比较见表1表1 SiC与其它半导体材料的特性参数表特 性Si GaAsβ-SiC4H-SiC G aN晶格常数/nm 0.5430.5650.435960.3073a010.053c00.451热膨胀系数/×10-6·C-12.65.94.74.2a04.68c05.6密度/g·cm-12.3283.2103.2116.095熔点/℃142028302830禁带宽度/eV1.11.432.23.263.45电子饱和速率/×107cm·s-11.01.02.22.02.2电子迁移率/cm2·V-1s-115008500100011401250空穴迁移率/cm2·V-1s-16004005050850击穿电场/>105·V·cm-1362030>10介电常数11.812.59.79.6/109电阻率/Ψ·cm1000103150>1012>1010热导率/W·cm-1·K-11.50.464.94.91.3吸收限/μm1.40.850.500.370.36折射系数3.53.42.72.7硬度/kg·mm-2100060039802130c0 SiC的热稳定性好,在常压下不可能溶化SiC。
在高温下SiC可以升华,分解为碳和硅蒸汽。
在高温高压实验中,2830℃左右35atm发现是SiC的一个转熔点,质谱分析得到其键能约为15000±2000卡/摩尔。
通常SiC表面易形成一层SiO2。
SiC能溶解于熔融的Na2O2或Na2CO3-KNO3混合物中。
在900～1200℃,SiC能与氯气发生反应,也能与CCl4反应。
β-SiC比α-SiC化学性质活泼,这与它们的组成结构相关。
2.2 SiC的生长方法 60年代至70年代,以欧美为主研究SiC,采用Lely(瑞利)法只能生长直径10～15mm 的晶体。
1978年原苏联采用籽晶和气氛控制技术改进了瑞利法,使晶体生长的成核过程和原料输运过程的控制程度大幅度提高。
俄罗斯科学院物理技术研究所和圣彼得堡国家电子技术大学把注意力集中在升华方法的研究,在原料的分解升华、质量输运、再结晶于籽晶上的过程控制,为SiC单晶生产大尺寸化铺平了道路。
80年代开始,SiC研究盛行,1983年采用改进的瑞利法(升华再结晶法)生长出直径14～20mm,长24mm的6H-SiC单晶,并用作基片制作出发蓝光的发光二极管。
在日本,1994年研制出直径40mm的单晶,1996年研制出直径2英寸SiC单晶。
在美国,主要从事SiC晶体材料生长、加工、SiC光电器件、射频及微波功率器件研制的C REE公司已可提供商品化SiC晶片[3]。
2.2.1 SiC体单晶的生长 由于C在Si中的溶解度很低,所以在Si溶体中生长SiC块体是很困难的。
常用气相方法来生长SiC体单晶。
过去,工业上制作SiC的方法称为阿切孙(Acheson)法,此法是把无水硅酸和碳在2500℃以上高温加热,用来生产磨料SiC的方法。
瑞利法是早期的升华再结晶法,在石墨坩埚内将SiC原料粉末升华,在低温区域再结晶,晶体直径很小(10～15mm),生长速度很慢,因成核过程是随机的,所以难予控制[4]。
改进的瑞利法主要解决了以下二个问题:第一,设计适合的温度梯率,在生长系统内充有惰性气体,改进原料的质量输运过程;第二,使用籽晶,有利于成核过程的控制。
这种方法是在准封闭空间内进行的,由原料升华成C和Si蒸气,在惰性气体中扩散输运,在比原料温度低的籽晶上达到过饱和并凝结结晶。
[2] 改进Lely法的晶体生长速度取决于原料温度、系统内的温度梯度和压力。
实际采用的生长条件是原料温度2200～2400℃,籽晶温度2100～2300℃,温度梯度10～20℃/cm,氩气压力1～100乇。
生长温度高(2100℃以上)是本方法的特征,也是此方法的难点所在。
早期的Lely生长的SiC单晶,不仅有多型体控制问题,还存在大量的位错和微管缺陷。
多型体的产生与成长温度、过饱和度、籽晶面极性、杂质有关。
微管缺陷产生的原因主要是热力学和动力学的因素,如热场均匀性,固相转换、空位过饱和以及组份过冷等,还有工艺方面的因素也会形成微管。
目前工艺进一步改进,已能做到无微管缺陷的SiC体单晶,但位错密度和堆垛层错密度仍为104～105/cm2量级。
这需要进一步加以克服。
另外体单晶在高温下生长,掺杂也难以控制。
因此发展了多种外延生长SiC的方法。
2.2.2SiC薄膜的外延生长 SiC外延生长的方法主要有:溅射法(sputting)、激光烧结法(laser ablation)、升华法(sublimation epitaxy)、液相外延法(LPE)、化学汽相淀积(CVD)和分子束外延(M BE)等[5]。
大多数采用后面三种方法。
LPE法生长早期的LPE生长是将Si溶于石墨坩埚中,坩埚中的C溶于熔融的Si中,将衬底置于坩埚中并保持相对低的温度,溶解的C、Si原子运动到衬底上沉积而成SiC。
这种办法制备的SiC很不完整,甚至有裂缝,也不易从坩埚剥离出来。
后来采用浸渍技术,以熔硅为溶剂,C为溶质,将固定于石墨上的SiC衬底浸入熔硅中,由于衬底保持较低温度,使C原子和Si原子在衬底表面成核并生长,待达到所需厚度时,将衬底从熔硅中取出。
衬底温度为1650～1800℃,生长速度为2～7μm/h。
早期CVD是用Si衬底进行异质外延生长,后来有了SiC衬底片就进行同质外延生长。