一种典型半导体材料—SiC
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器件工作原理
sic器件工作原理
SIC器件，即碳化硅器件，是一种基于碳化硅材料制造的功率
半导体器件。
它是继硅(Si)和氮化镓(GaN)之后的第三代半导
体材料，具有许多优异的特性，如高功率密度、高工作温度、高频率运行以及较低的开关损耗等。
SIC器件的工作原理主要涉及两种类型的器件，分别是金属氧
化物半导体场效应晶体管(MOSFET)和整流二极管(Schottky二
极管)。
以下是它们的工作原理的简要介绍：
1. SIC MOSFET工作原理：
- 加载和关断：在导电状态下，通过施加正向偏压，使得漏
极和源极之间建立正向电场。
当施加的电压大于门源极电压阈值时，导电通道打开，电流通过。
- 控制：通过施加在栅层上的电压来控制通道的导电性。
正
向电压将使通道导电，而负向电压或零电压将使通道关闭。
2. SIC Schottky二极管工作原理：
- 整流：当施加正向偏压时，金属电极和碳化硅之间的电子
流会被阻碍。
这是因为该二极管内部的金属-半导体界面形成
了一个势垒，使得电子难以通过。
- 反向电压：当施加反向电压时，势垒会增加，电子更难通过。
这种二极管具有较低的反向漏电流和较高的开关速度。
总体而言，SIC器件利用碳化硅材料的特性实现了高功率密度、高效率和高温工作。
这些特点使得SIC器件在诸如离岛电源、
电动汽车、可再生能源等领域的高功率应用中具有广泛的应用前景。
sic芯片材料参数 -回复
sic芯片材料参数-回复sic芯片材料参数是指使用硅化碳化硅（SiC）作为主要材料制造的芯片所需要考虑的一系列技术参数。
在本文中，将逐步回答关于sic芯片材料参数的问题，包括SiC的物理性质、制造过程及其在芯片应用中的优势和限制。
一、SiC的物理性质硅化碳化硅（SiC）是一种具有优异性能的化合物材料，其特点是具有高熔点、高热导率、高耐高温性、高电子迁移率以及优异的化学稳定性。
这些特性使得SiC成为一种理想的芯片材料。
1. 熔点：SiC的熔点非常高，约为2730，比传统的硅（Si）材料的熔点高了近1000，这使得SiC芯片能够在更高温度下工作，从而满足一些特殊应用的需求，如高温电子设备、航空航天等。
2. 热导率：SiC具有良好的热导率，其比热导率约为硅的三倍以上。
这种高热导率使得SiC芯片能够更快地散热，降低芯片温度，提高了芯片的可靠性和稳定性。
3. 耐高温性：SiC能够在高温环境中稳定工作，其最高使用温度可达到600以上，这远远高于传统硅芯片的极限。
因此，SiC芯片适用于一些高温应用领域，如化工、电力等。
4. 电子迁移率：SiC具有很高的电子迁移率，约为硅的数倍。
电子迁移率的提高可以提高芯片的响应速度和工作频率，从而满足高速计算和通信等应用领域的需求。
二、SiC芯片的制造过程制造SiC芯片主要使用两种技术：通用SiC材料的外延生长和SiC单晶的离子外延法。
1. 通用SiC材料的外延生长：这种方法通过在硅衬底上生长SiC晶体，实现对整个硅衬底的覆盖。
通过控制外延生长条件，可以获得具有不同晶体结构和性质的SiC薄膜。
通用SiC材料的外延生长技术较为成熟，可以实现对大面积芯片的生产。
2. SiC单晶的离子外延法：这种方法通过将SiC晶体种植到硅衬底上，再以离子束的方式使其融合并形成SiC薄膜。
该方法可获得单晶SiC材料，具有更高的电子迁移率和更好的导电性能。
三、SiC在芯片应用中的优势相比传统的硅芯片，SiC芯片具有以下优势：1. 耐高温性：SiC芯片能够在高温环境中稳定工作，适用于一些高温应用领域，如汽车电子、航空航天等。
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。
碳化硅沸点
碳化硅沸点
碳化硅是一种耐高温、耐腐蚀、硬度极高的陶瓷材料，其化学式为SiC。
作为一种重要的半导体材料，它在太阳能电池、LED、高功率器件等领域得到广泛应用。
碳化硅的沸点在常压下达到了2700℃左右，这是一种非常高的沸点。
在高温下，碳化硅具有优异的耐热性和耐氧化性，能够长时间保持稳定的性能。
除了常压下的沸点，碳化硅还具有一种特殊的性质——亚稳性。
在高温高压的条件下，碳化硅可以表现出超过3000℃的沸点，这种高温下的碳化硅具有非常特殊的物理化学性质，可以应用于高温高压领域。
总的来说，碳化硅作为一种高性能的材料，在各个领域都得到了广泛应用。
在未来，随着科技的不断进步和应用的不断拓展，碳化硅将会有更加广泛的应用前景。
- 1 -。
SIC晶圆制造材料
SIC晶圆制造材料SIC晶圆制造材料SIC晶圆制造材料是一种具有高度稳定性和优异性能的半导体材料，广泛应用于电子、光电、光通信等领域。
在本文中，将对SIC晶圆制造材料的深度探讨进行分析，并分享对其的观点和理解。
一、介绍SIC晶圆制造材料1.1 简介SIC全名为碳化硅，是一种由碳和硅原料制成的化合物。
它具有高熔点、高硬度和高耐腐蚀性等特点，是一种理想的半导体材料。
SIC晶圆制造材料是以SIC为基础材料，通过特殊的生长工艺制备而成的。
1.2 特性SIC晶圆制造材料具有许多优异的特性。
SIC具有高温稳定性，可以在高温环境下工作，不易受热分解或氧化。
SIC晶圆具有高热导率和低热膨胀系数，能够有效地散热，提高器件的工作效率和可靠性。
SIC晶圆材料还具有优异的机械性能和化学稳定性，能够抵抗各种外界环境的侵蚀。
二、SIC晶圆制造材料的应用2.1 电子领域SIC晶圆制造材料在电子领域具有广泛的应用。
SIC晶圆可用于制造高功率和高频率的电子器件，如功率开关器件、超高压二极管和射频功率放大器等。
SIC晶圆材料还可以用于制造高温电子器件，如高温功率电子模块和高温传感器等。
另外，SIC晶圆还可以应用于制造紧凑型电子元件，如微型传感器和MEMS器件等。
2.2 光电领域SIC晶圆制造材料在光电领域也有广泛的应用。
SIC晶圆可以作为LED 的衬底材料，可提高LED器件的发光效率和可靠性。
SIC材料还可以用于制造高功率激光二极管，用于光通信和激光雷达等应用。
2.3 其他领域除了电子和光电领域，SIC晶圆制造材料还可以在其他领域得到应用。
在电力电子领域，SIC晶圆可以用于制造高温、高压和高功率的电力电子器件，如IGBT和MOSFET等。
SIC材料还具有较高的化学稳定性，可以用于制造耐腐蚀的传感器和阀门等。
三、对SIC晶圆制造材料的观点和理解针对SIC晶圆制造材料，我认为它具有巨大的市场潜力和发展前景。
SIC材料具有高度的稳定性和可靠性，能够满足高性能、高温度和高功率等特殊工作环境的要求。
sic碳化硅单晶的生长原理
sic碳化硅单晶的生长原理碳化硅（Silicon Carbide，SiC）是一种优秀的半导体材料，具有高温、高电压和高频率特性，是发展功率电子和射频器件的重要材料之一。
为了研究和应用碳化硅，需要大量高质量的碳化硅单晶材料。
本文将介绍碳化硅单晶的生长原理。
碳化硅单晶的生长方法有多种，包括半导体硅碳在高温下热解生长、低压化学气相沉积（LPCVD）、物理气相沉积（PVD）等。
其中，半导体硅碳热解生长法是最常用的一种方法。
在半导体硅碳热解生长法中，首先需要将硅源和碳源混合，在高温下热解生成SiC原料。
硅源一般使用单质硅（Si），碳源可以选择甲烷（CH4）、乙烯（C2H4）等有机碳源。
在反应室中，通过适当的比例和流量控制，将硅源和碳源送入到硅化炉中加热，使其发生化学反应。
在一定的温度、压力和气氛条件下，硅源和碳源会反应生成SiC颗粒。
随后，SiC颗粒在硅化炉中不断堆积并长大，最终形成大尺寸的碳化硅单晶。
这个过程中，需要控制温度、压力和气氛等参数，以及在硅化炉中添加合适的衬底材料，来保证单晶的高质量生长。
同时，还需要控制SiC颗粒的大小和生长速度，以获得均匀一致的单晶。
在生长过程中，热解生成的SiC颗粒会沉积在衬底上，并在衬底表面层层生长。
由于SiC的熔点较高（约为2700℃），温度通常要高于熔点，使其颗粒能够在固相状态下生长。
此外，还需要保持适当的压力，以避免颗粒聚集或散开过快。
碳化硅单晶的生长速度一般较慢，通常在0.1-1 mm/h之间。
为了获得大尺寸和高质量的单晶，需要进行多次生长和退火处理。
多次生长可以提高单晶的大小和质量，退火则可以消除生长过程中的缺陷和应力，使单晶更加完整和稳定。
总之，碳化硅单晶的生长是一个复杂的过程，涉及多个参数和控制条件。
通过适当的控制，可以获得大尺寸、高质量的碳化硅单晶，为碳化硅材料在功率电子和射频器件等领域的应用提供重要的支持。
碳化硅（Silicon Carbide，SiC）是一种兼具较高导电性和较高耐高温特性的材料，因此在功率电子和高频电子器件领域有着广泛的应用前景。
半导体材料 碳化硅 pvt
半导体材料碳化硅 pvt碳化硅（SiC）是一种广泛应用于半导体器件制造的材料。
它具有优异的物理和化学性质，具有高热稳定性，抗辐射能力强等特点。
目前，碳化硅在空间技术、車用電子、光电传感器、光源等方面广泛应用，同时，其在光电子、电力电子领域中的应用还在不断扩大。
碳化硅PVT方法制备碳化硅主要通过PVT（Physical Vapor Transport）方法生产，PVT方法是一种同步进行物理和化学反应的技术，它将硅和碳混合在一起并曝露在反应环境中，如金刚石加热棒、惰性气体等。
碳和硅之间的化学反应产生碳化硅晶体，晶体在金刚石加热棒产生的蒸汽中生长。
这种方法的优点是能够生产高质量的碳化硅晶体。
碳化硅的物理和化学性质1. 真空、氧化、氢气和氮的化学惰性，抗氧化能力强。
2. 热膨胀系数小、热导率高。
3. 电介质性能好，相对介电常数低。
4. 抗辐射和辐照损伤性能好。
5. 硬度高、抗磨损能力强。
碳化硅的应用1. 光电传感器：碳化硅可以通过控制其掺杂和制造纳米结构来改变其能带结构，从而实现半导体器件的制造，如光电传感器等。
2. 光源：碳化硅在半导体物理学方面有很高的应用价值，可以实现可见光、红外线和紫外线等不同波长的光源。
3. 电力电子：碳化硅是高温、高功率、高频电子器件方面的理想材料，可以制造具有高容量结构、高电压等级、低开关损失的电子器件。
4. 空间技术：碳化硅在配备放射性和高能物质传感器，如探测器和望远镜等方面具有特殊的优势。
5. 車用電子：作为高温电子材料，碳化硅在汽车电子方面具有广泛的应用，例如转速传感器、电池管理系统和热电传感器等。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
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
MESFET
PIN
MOSFET JFET
BJT thyristor
4.SiC光电器件的简介
SiC肖特基二极管
3英寸SiC的MESFET基片
SiC二极管与传统Si二极管的比较
5.SiC紫外探测器件的制备
紫外探测的意义：在导弹监控与预警、紫外天文学、火灾探测、生物细 胞癌变检测等方面有着广阔的前景，具有极高的军事和民用价值。 传统的方式--光电倍增管：体积大、易破环、高电压、低温下工作。
尽管SiC器件取得了令人鼓舞的进展，已经有了很多实验室产品，而且部分产 品已经进入了市场，但是目前存在的几个市场和技术挑战限制了其商品化进程 的进一步发展。 挑战： 1.昂贵的SiC单晶材料。 2.单晶材料本身的缺陷，包括微管道、位错等仍会对器件造成影响。 3.SiC器件的可靠性问题。 4.大功率器件的封装问题。
3.SiC外延制备方法
SiC的外延方法 LPE（液相外延） VPE（气相外延） MBE（分子束外延） CVD（化学气相沉积法）
3.SiC外延制备方法
实例：CVD法生长N型4H-SiC同质外延
实验采用瑞典Epigress公司的VP580水平式低压热壁CVD系统，生长时衬底气浮 旋转，以达到生长厚度均匀。衬底为山东大学晶体材料国家重点实验室提供的Si 面，偏离（0001）面8°的2英寸n型4H-SiC单晶，载流子浓度约为 1018cm3 。
SiC紫外探测器： PN结型 PIN型 异质结型 肖特基势垒型 金属-半导体-金属（MSM）型
6.SiC紫外探测器的制备
实例：SiC肖特基紫外光电探测器件的研制。
器件制备的半导体材料：4H-SiC；衬底： N+型，电阻率0.014Ω*cm，厚度300um； 外延层：N型，掺杂浓度3.3E15/cm3，厚度 10um。
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。
国内在SiC生长起步较晚，目前主要是山东大学、中科院上海硅酸盐研究所、中科院 物理所等单位开展SiC单晶生长制备技术研究，山东大学2019年在实验室生长出了3英寸
6H-SiC单晶。
2.SiC衬底的制备
物理气相传输法（PVT）：
核心装置如右图所示：
SiC原料的升华和晶体的再生长在一个封闭的石墨 坩埚内进行，坩埚处于高温非均匀热场中。SiC原料 部分处于高温中，温度大约在2400~2500摄氏度。 碳化硅粉逐渐分解或升华，产生Si和Si的碳化物混 合蒸汽，并在温度梯度的驱使下向粘贴在坩埚低温 区域的籽晶表面输送，使籽晶逐渐生长为晶体。
高击穿电压
高功率器件 高频高温器件 紫外探测器件
高热导率
宽禁带
高电流密度
4.SiC光电器件的简介
一些SiC器件：
半导体 SiC
半绝缘SiC
整流器件
开关器件
Bipolar Schottky Unipolar diodes diodes transistor
Bipolar transistor
RF transistor
Si源：硅烷（
S iH
）
4
C源：丙烷（ C 3 H 8 ）
N源：氮气（ N 2 ）
生长温度：1550摄氏度
压强：1 0 5 P a
流程图如下：
3.SiC外延制备方法
原理图
工艺流程：
Si元素在降温过程中会凝聚 成Si滴。 结论：无明显的微管和孪晶 区，速度5um/h，有很好的 工艺可靠性。
4.SiC光电器件的简介
2.SiC衬底的制备
物理气相传输法（ PVT，physical vapor transport）又称升华法，又称改良的Lely法， 是制备SiC等高饱和蒸汽压、高熔点半导体材料的有效的方法。 美国Cree公司2019年实 现2英寸6H-SiC单晶的市场化，近两年已实现4英寸6H-SiC单晶的市场化，目前占据全球 市场的85％。
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.Siபைடு நூலகம்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。
5.SiC光电器件的前景
近年来，Si功率器件结构设计和制造工艺日趋完善，已经接近其材料特性决 定的理论极限，依靠Si器件继续完善来提高装置与系统性能的潜力十分有限。 随着SiC衬底材料和器件制造工艺如：外延、欧姆接触、氧化及刻蚀等技术上 取得的重大进展，SiC在各类新材料中脱颖而出，在整流器、双极晶体管及 MOSFET等多种类型的功率开关器件方面取得来令人瞩目的进展。根据预测， 到2019年SiC器件市场的规模将达到8亿美元。
2.SiC衬底的制备
SiC单晶的加工：
要求：表面超光滑、无缺陷、无损伤。 重要性：直接影响器件的性能。 难度：SiC的莫氏硬度为9.2，难度相当大。
工艺流程： 切割：用金刚线锯。 粗、精研磨：使用不同粗细的碳化硼和金刚石颗粒加 粗磨和精磨。 粗抛光：机械抛光，用微小的金刚石粉粒进行粗抛。 精抛光：化学机械抛光。
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.