第三代半导体材料及制造工艺 电子器件与工艺课件培训讲解.pptVIP

3.3 第三代半导体材料（宽禁带半导体材料）;随着半导体材料的单晶制备及外延技术的发展和突破， 并基于以下几方面原因，宽带隙半导体材料应运而生。 ;近年来，随着半导体器件应用领域的不断扩大，特别是有些特殊场合要求半导体适应在高温、强辐射和大功率等环境下工作，传统的一和二代半导体无能为力。于是人们将目光投向一些被称为第三代宽带隙半导体材料的研究，如金刚石、SiC、GaN和AlN 等。这些材料的禁带宽度在 2 eV 以上，拥有一系列优异的物理和化学性能。 ;主要半导体材料的基本特性;SiC 材料及器件的一些具体应用 ;SiC 是一种天然超晶格，又是一种典型的同质多型体 ;SiC 的结构 ;SiC 优良的物理和化学性能 ;SiC 块材单晶的制备 ;SiC 块材单晶的制备 ;1824 年，瑞典科学家J. Jacob Berzelius 在试图制备金刚石时意外发现了这种新的化合物。 1885 年，Acheson 用电弧熔炼法生长出 SiC, 但用这种方法形成的SiC质量较差，达不到大规模生产SiC器件所需的SiC单晶的质量要求。 1955 年菲力浦研究室的 Lely 首先在实验室用升华法制备了杂质数量和种类可控的、具有足够尺寸的 SiC 单晶。 具体过程：设计一个空腹的圆筒，将具有工业级的 SiC 块放入碳坩埚中，加热到 2500 oC， SiC 发生明显的分解与升华，产生 Si 和 SiC 的蒸汽，在高温炉内形成的温度梯度作用下向低温方向并凝聚在较低温度处，形成 SiC 晶体。此过程是一个“升华－凝聚”的过程，生长的驱动力是温度梯度。;SiC 晶体;改良的 Lely 法 世界上主要的SiC单晶衬底供应商如美国的Cree公司、日本的Sixon公司都采用改良的 Lely 法来生长块材 SiC 单晶。 ;SiC 块材单晶的制备 ;把{11;SiC 薄膜的制备 ;SiC 薄膜的制备 ;3．溅射法 溅射的原理是向真空系统中充入少量所需要的气体(Ar, N2等)。气体分子在强电场作用下电离而产生辉光放电。气体电离产生大量带正电荷的离子受电场加速而形成高能量的离子流，它们撞击在阴极表面，使阴极表面的原子飞溅出来，以自由原子形式或以与反应性气体分子形式与剩余气体分子形成化合物的形式淀积到衬底上形成薄膜层。 ;在Si(111)和Al2O3(0001)上外延了?-SiC 薄膜。 最佳生长条件 衬底的加热温度为1200-1300 oC，激光能量 40-50 mJ/脉冲；靶材能量密度0.5-1 J/cm2/脉冲；脉冲频率1-2 Hz；本底真空 2×10-7 Pa。 ;5．分子束外延 在超高真空(10-8Pa)条件下，精确控制蒸发源给出的中性分子束流的强度，在基片上外延成膜的技术。生长在非热平衡条件下完成，受动力学制约。生长温度低，生长速率慢，外延薄膜质量好。一般的分子束外延系统都配有如反射高能电子衍射(RHEED)之类的装置，为研究材料的具体生长细节提供了条件。但分子束外延设备也存在一些缺点，如受反应源的限制，无法制备所有材料；生长速率太慢，不适合工业化生产等。 ;6．化学气相沉积 ;目前，SiC 功率器件基本都是用化学气相沉积方法制备的 SiC 薄膜制成的; 最成熟和成功的是CVD法 ;SiC 薄膜的制备 ;SiC 薄膜的制备 ;SiC 薄膜的制备 ;SiC 器件研究;(d) 金属化：(1) SiC的禁带宽，多数金属膜和SiC形成肖特基整流接触，为了形成欧姆接触，要产生非常高掺杂的SiC表面层, 或者通过金属-半导体接触的高温合金化退火。(2) 可以通过Al-Ti合金在p型SiC外延层上形成欧姆接触；通过Ti、Ni、Ag合金蒸发在n型SiC上，而后高温合金化形成欧姆接触，TiC也可以与n型SiC形成欧姆接触。 (e) 绝缘边技术与钝化：有场板技术、绝缘环、结终端扩展等。用作介质和保护层的还有Si3N4, AlN,Al2O3等。;2．主要 SiC 器件 ;连通式双反应室MOCVD系统实物图 ;不锈钢外壁;连通式双反应室MOCVD系统结构示意图 ;实例：Si 衬底上 3C-SiC 薄膜的异质外延;生长温度对SiC薄膜生长的影响 ;生长温度对SiC薄膜生长的影响 ;生长温度对SiC薄膜生长的影响 ;生长温度对SiC薄膜生长的影响 ;实例：Si 衬底上 3C-SiC 薄膜的异质外延;实例：Si 衬底上 3C-SiC 薄膜的异质外延;随着温度的升高，SiC薄膜的电阻率下降，电导率升高。该实验结果和K. Sasaki [1]等人的结果相反，而和M. Eickhoff [2]等人的纳米晶的结果相似。并且该样品的电导率比以上两个小组的电导率都大，说明我们的样品非掺杂现象严重，非掺杂浓度较高。进一步的测试表明薄膜的室温载流子浓度为2×1019/cm3，载流子迁