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1、SiC材料的特性及应用,颜小琴,2004.11.15,SiC材料的发展史话SiC材料的特性及应用SiC材料的制备方法小结,Silicon Carbide Technology(SiC),Why a new Technology?Si has served wonderfully well as a semiconductor for most applicationsSi devices fail to operate at high temperatures of around 300C Since Si is a small band gap material,sufficiently h
2、igh breakdown voltages cannot be applied,SiCs superior Performance,SiC is especially useful for:High Temperature EnvironmentHigh Radiation conditionsHigh Voltage switching applicationsHigh power Microwave applications,SiC is superior compared to Si because:It has exceptionally high Breakdown electri
3、c fieldWide Band gap EnergyHigh Thermal conductivityHigh carrier saturated velocity,起初Acheson错误地认为这种材料是C和Al的化合物，他的目的是想寻找一种材料能够代替金刚石和其他研磨材料，用于材料的切割和抛光，他发现这种单晶材料具有硬度大、熔点高等特性，于1893年申请了专利，将这种产品称为“Carborundum”。,开辟了SiC材料和器件研究的新纪元，此后，有关SiC的研究工作全面展开，并且于1958年在Boston召开了第一届SiC会议。但是，Si技术的成功以及迅猛发展，使得人们对SiC的研究兴趣下
4、降，这一时期的研究工作，即60年代中期到70年代中期，主要在前苏联进行，在西方一些国家，SiC的研究工作仅处于维持状态。,SiC材料的发展史话,1824年,瑞典科学家Berzelius(17791848)在人工合成金刚石的过程中就观察到了SiC；1885年Acheson(18561931)首次生长出了SiC晶体(Carborundum)；1905年，法国科学家Moissan(18521907)在美国Arizona的Dablo大峡谷陨石里发现了天然的SiC单晶(Moissanite)；1907年，英国电子工程师Round(18811966)制造出了第一只SiC的电致发光二极管；,SiC材料的发展
5、史话,1955年，Lely发明了一种采用升华法生长出高质量单晶体的新方法；(转折点)1978年，俄罗斯科学家Tairov和Tsvetkov发明了改良的Lely法以获得较大晶体的SiC生长技术；(里程碑)1979年，成功制造出了SiC蓝色发光二极管；1981年，Matsunami发明了Si衬底上生长单晶SiC的工艺技术，并在SiC领域引发了技术的高速发展；1987年，Cree Research成立，成为了第一个销售SiC单晶衬底的美国公司。,SiC材料的特性及应用,.SiC for High Power,High Temperature Electronics,SiC与Si和GaAs的有关参数的
6、对比,SiC的这些性能使其成为高频、大功率、耐高温、抗辐照的半导体器件的优选材料，用于地面核反应堆系统的监控、原油勘探、环境检测及航空、航天、雷达、通讯系统及汽车马达等领域的极端环境中。,SiC材料的特性及应用,.Polytypism in SiC,3C-SiC 6H-SiC 4H-SiC,3C-SiC,6H-SiC,SiC材料的特性及应用,.Dopant Considerations 杂质掺入量过大导致了非晶或多晶的形式，深的杂质能级是不利的，不仅激活温度高，而且也不利于器件的设计。SiC材料常用n型掺杂剂为N(N2,NH3)，p型掺杂剂为Al，也有用B的，几乎都用生长过程中引入掺杂剂的原位
7、掺杂方式，个别用离子注入。,SiC材料的特性及应用,.Oxidation of SiC SiC体材料具有很高的抗氧化性，因为在体材料的氧化过程中会在氧化界面形成SiO2层，从而阻止了氧化的进行。2SiC+3O2=2SiO2+2CO,SiC材料的特性及应用,.Ohmic Contacts to SiC 在SiC大功率器件中，SiC和金属间的欧姆接触电阻的大小直接影响到SiC大功率器件性能的优劣，如果接触电阻太高，器件工作时的压降及功耗增大，引起器件因发热而温度过高。,SiC材料的特性及应用,.SiC Light Emitting Diodes 根据SiC在低温下可以发射蓝光的性质，已经成功制作了
8、蓝光发光二极管(LED)。但是，SiC是间接带隙半导体材料，所制成的LED的发光效率非常低。电化学腐蚀处理 SiC 多孔SiC,虽然早在50年代就观察到了SiC材料的电致发光，并且SiC蓝光发光二极管早已实现了商品化，但由于SiC材料的生长工艺技术还不够成熟，SiC的工艺技术，如高质量SiO2的制备、良好的欧姆接触、图形加工技术等还有待于开发，SiC电子器件研制尚处于起步阶段。,Comparison of Si and SiC devices under similar conditions,异质结双极晶体管中高的注入效率 LED中发射蓝光(商业应用)宽带隙 激光二极管 抗辐射器件 超低漏电流
9、器件晶格失配低 GaN、AlN的最理想的衬底材料,SiC器件的应用领域：,高压大功率开关二极管，可控硅 电力电子器件 IC高密度封装 空间应用的大功率器件,高击穿电场,高的热导率,良好散热的大功率器件高的器件集成度,SiC材料的制备方法,.SiC Substrate Crystal Growth,无论Lely法还是改良的Lely法生长的单晶几乎都是六方结构的4H、6H-SiC，而立方SiC中载流子迁移率较高，更适合于研制微电子器件，但至今尚无商用的3C-SiC体单晶，另外，SiC体单晶在高温下(2200C)生长，掺杂难于控制，晶体中存在缺陷，特别是微管道缺陷无法消除，并且SiC体单晶非常昂贵，
10、于是发展了多种外延SiC的方法。,SiC材料的制备方法,.SiC Thin Film Epitaxy SiC外延的方法主要有：磁控溅射法(sputting)、激光烧结法(Laser ablation)、升华法(sublimation epitaxy)、液相外延法(LPE)、化学气相沉积(CVD)和分子束外延法(MBE)等。,小结,SiC是非常有潜力的材料，它所具有的卓越性能使其成为高频、大功率、耐高温、抗辐照的半导体器件的优选材料。目前SiC研究领域也已取得了可喜的成绩，展现出了美好的应用前景，但仍有一些重大技术难点有待克服，其中最重要的继续改善晶体生长工艺、降低成本、提高材料质量、减少缺陷密度和改善上层掺杂以及获得厚度可控的大面积晶片。,谢谢大家！,
