宽禁带半导体材料SiC和GaN 的研究现状

宽禁带半导体材料SiC和GaN 的研究现状

diyi代半导体材料一般是指硅（Si）元素和锗（Ge）元素，其奠定了20 世纪电子工业的基础。第二代半导体材料主要指化合物半导体材料，如砷化镓（GaAs）、磷化铟（InP）、磷化镓（GaP）、砷化铟（InAs）、砷化铝（AlAs）及其合金化合物等，其奠定了20 世纪信息光电产业的基础。第三代宽禁带半导体材料一般是指氮化镓（GaN）、碳化硅（SiC）、氮化铝（AlN）、金刚石等材料，其具有禁带宽度大、抗辐射能力强、击穿电场强度好、耐高温等特点，可以克服传统半导体的劣势，能够使设备在极端恶劣的条件下正常工作。因此，宽禁带半导体的材料可以在微电子领域发挥重要的作用，具有广阔的应用市场。
禁带宽度是半导体的一个重要特性参数，根据半导体材料的能带结构不同，可将半导体材料分成两种类型：宽禁带和窄禁带。若半导体材料的带隙宽度小于2.3eV，则称为窄带隙半导体，代表性材料有GaAs、Si、Ge 和InP ；若半导体材料的带隙宽度大于或等于2.3eV，则称为宽带隙半导体，代表性材料有GaN、SiC、AlN 和氮化铝镓（AlGaN）等。半导体材料的禁带宽度越大，意味着其电子跃迁到导带所需的能量越大，从而材料能承受的温度和电压越高，即越不容易成为导体。
宽禁带半导体材料非常适合于制作抗辐射、高频、大功率和高密度集成的电子器件，其具有良好的抗辐射能力及化学稳定性、较高的饱和电子漂移速度及导热率、优异的电性能等特点。近年来，迅速发展起来的以GaN、SiC 为代表的宽禁带半导体材料是固态光源和电力电子、微波射频器件的“核芯”，在半导体照明、新一代移动通信、智能电网、高速轨道交通、新能源汽车、消费类电子等领域具有广阔的应用前景，可望成为支撑信息、能源、交通、国防等产业发展的ZD新材料，进行宽禁带半导体材料的相关技术研发正在成为半导体产业新的战略高地。SiC 与GaN 是第三代宽禁带半导体材料中发展比较成熟的材料，本文主要研究这两类材料。

SiC材料及其制备工艺

SiC 具有独特的物理和电学特性，其可以通过热氧化工艺制备出SiO2，同时在氧化过程中使C 元素以气体的形式释放，制备出高质量的SiO2，进而可利用SiC 制作性能优良的金属– 氧化物– 半导体（Metal-Oxide-Semiconductor，MOS）晶体管。
（一）SiC 材料结构及特性
SiC 为Ⅳ主族中Si 元素和C 元素组成的化合物，C 原子和Si 原子以共价键的形式连接。SiC 的基本结构单元是硅碳四面体，其相互连接形成各种紧密堆积的结构。Si—C 双原子层的堆积顺序不同，导致SiC具有多种晶体结构。其中，SiC 的同态多晶型主要有闪锌矿（Zincblende）结构、纤锌矿（Wurtzite）结构和菱形（Diamond）结构。SiC 的纤锌矿结构为α-SiC，SiC 的立方闪锌矿结构为β-SiC，根据晶体堆叠的不同呈现出多型结构，其中β-SiC（3C-SiC）和α-SiC（2H-SiC、4H-SiC、6H-SiC、15R-SiC）比较具有代表性，对于不同的晶体结构，其禁带宽度也有所差异，如图1 所示。
图1 SiC材料的常见多型结构（a）SiC材料的晶体结构；（b）对应的禁带宽度
在SiC 的各种晶体类型中，3C-SiC 键能Z低，晶格自由能Z高且易成核，但其处于亚稳态，具有较低的稳定性及易发生固相转移的特点。在接近平衡态的条件下，当退火温度分别为1200℃和2000℃时，3C-SiC 会发生相变，部分转变为6H-SiC 和4H-SiC，其中3 种晶型的键能大小顺序为3C-SiC<6H-SiC< 4H-SiC，键能越小越不稳定，在外界条件影响下越容易发生相变。所以，通过改变外界条件，3C-SiC 可以发生相转变，变成其他晶型。目前，应用较多的是4H-SiC 材料，其禁带宽度为3.2eV，是Si 禁带宽度的3 倍左右，且热导率高，故多用于高温大功率的微电子器件领域。
（二）SiC 晶体的制备
图2（a）为SiC 相图，可以看出，在大气氛围中SiC 在2830℃下会分解为C 和含C 量为13% 的Si 熔液，因此无法从Si-C熔融体中进行晶体生长。在过去的30 年中，工业界已研发出采用升华的方式制备SiC 衬底的技术，使SiC 材料在低压惰性环境中升华，Si、SiC2、Si2C 等分子沿温度梯度迁移，并按照设计取向在单晶SiC 种子层上沉积而重新结晶成SiC 晶体，如图2（b）所示。采用新的物理气相传输（PVT）技术能够将晶体制备温度控制在1900~2400℃范围内。
图2 SiC的相图（a）和制备SiC的物理气相传输（PVT）技术（b）
SiC 存在各种多型体（结晶多系），它们的物性值也各不相同。SiC 晶体中存在多种缺陷，这些缺陷会降低其自身的质量。常见的晶体缺陷类型有微管、位错、层错、夹杂、多型共生等，如图3 所示。晶体缺陷给SiC 器件的应用造成了很大的阻碍。在这些缺陷当中，微管缺陷带来的后果Z严重，SiC 器件的工作区域中任一微管缺陷都可能会导致器件的失效。
图3 常见的SiC晶体缺陷类型
虽然一些电子元器件能够在不使用外延层的情况下直接在衬底材料上制备，但高品质的SiC 器件仍然需要利用高品质的外延材料制备有源区。因此，低缺陷的SiC 外延生长技术对SiC器件质量有着重要的影响。随着SiC 功率器件制造要求和耐压等级的不断提高，其外延材料不断向低缺陷、厚外延方向发展。目前，批量生产SiC 外延材料的产业化公司有美国的CREE、Dow Corning，日本昭和电工（Showa Denko）等。