SiC半导体材料及其器件应用

第37卷　第2期　2000年4月　　　　　　　半导体情报SiC半导体材料及其器件应用

杨克武　潘静

(电子十三所,石家庄　050051)

杨银堂

(西安电子科技大学,西安　710071)

摘要　分析了SiC材料的结构类型和基本特性,介绍了SiC单晶材料的生长技术及器件工艺技术,简要讨论了SiC器件的主要应用领域和优势。

关键词　SiC单晶材料　工艺　高温半导体器件　短波长发光器件

中图分类号:TN304.2+4　文献标识码:A　文章编号:1001-5507(2000)2-13-03

TechniquesofSiCSemiconductorMaterialsandDevices

YangKewu,Panjing

(The13thInstitute(Electronics),Shijiazhuang050051)

YangYintang

(Xi anUniversityofScienceandTechnology,Xi an710071)

Abstract　ThestructuretypesandproperiesofSiCareanalyzed.TheprocessesforSiC

crystalgrowthanddevicefabricationarepresented.Mainapplicationfieldsaredis-cussed.

Keywords　SiCcrystalmaterials　Process　High-temperaturesemiconductordevices　Short-wavelengthlight-emittingdevices

1　引　言

随着微电子技术的发展,传统的Si和GaAs半导体材料由于本身结构和特性的原因,在高温、高频、光电等方面越来越显示出其不足和局限性,一系列新型的半导体材料如SiC、金刚石等越来越引起人们的重视。其中SiC材料以其特有的大禁带宽度、高临界击穿场强、高电子迁移率、高热导率等特性,成为

制作高温、高频、大功率、抗辐照、短波长发光及光电集成器件的理想材料,在微电子、光电子等领域起到了独特的作用,成为国际上新材料、微电子和光电子领域研究的热点。近年来,SiC材料制备及加工技术取得了迅速的发展。已研制成功了直径50mm的单晶抛光片,不同衬底的单晶薄膜外延技术也已突破,SiC材料的控制掺杂、金属化、图形刻蚀、氧化等技术也逐步成熟。采用SiC材料已实现

第37卷　第2期　2000年4月

结晶类型不定的单晶板块。该方法可形成直径较小( 8mm)、杂质含量较高的 -SiC单晶。

之后,由Tairov、Tsvetko等人在Lely法基础上研究得到了一种新的有籽晶的升华再结晶工艺,可以用来生长较大尺寸的、单一晶体结构的单晶。用该方法得到了直径30mm、长度 40mm的纯6H结构SiC晶棒。目前SiC单晶的生长技术已较成熟,但由于工艺难度较大,并受SiC材料切割能力的限制,国际上能提供商品SiC材料的厂家仅有美国CREE公司一家,其工业化水平接近 50mm,但售价极高。

作为对体材料的一种替代,近年来国际上开展了SiC单晶薄膜材料的外延生长技术研究。它一般采用SiC或Si衬底,以SiH4、C3H8为反应气体,用常压CVD方法在1300～1800℃的温度下进行外延生长。在SiC衬底上可得到 和 -SiC,在Si衬底上只能得到 -SiC。外延生长的单晶薄膜的质量主要取决于衬底温度、气体流量比及具体工艺程序等。

了可在500℃以上工作的高温半导体器件、商

业化的蓝光发光器件、汽车和飞机发动机监控用的紫外光敏器件等,SiC高频和微波器件、抗核加固器件的研究正受到广泛的重视。这些都对SiC材料技术及产业的开发提出了迫切的要求。

2　SiC材料的结构与特性

SiC是一种Ⅳ-Ⅳ族化合物半导体材料,具有多种同素异构类型。其典型结构可分为两类:一类是闪锌矿结构的立方SiC晶型,称为3C或 -SiC,这里3指的是周期性次序中面的数目;另一类是六角型或菱形结构的大周期结构,其中典型的有6H、4H、15R等,统称为 -SiC。

表1给出了SiC材料的主要特性数据。从中可以看出,SiC材料具有优异的电学特性和热学特性。与Si相比,SiC材料具有更大的Eg、Ec、Vsat、 。大的Eg使其可以工作于650℃以上的高温环境,并具有极好的抗辐射性能;特有的能带结构和禁带宽度使之可制作短波长发光器件和光电集成器件;大的Ec、Vsat、 和 使之适于制作大功率、高频和微波器件。

表1　几种半导体材料有关参数比较

材料特性禁带宽度Eg/eV电子迁移率 n/cm2・V-1・s-1电子饱和速度vsat/107cm・s-1击穿场强Ec/106V・m-1介电常数 热导率

/W・cm-1・℃-1熔点/℃

Si1.11140010.211.81.51420

GaAs6H-SiC3C-SiC金刚石1.42.92.25.5850020.412.80.51238

6002.549.74.92100

10002.539.74.92100

22002.7105.520相变

4　SiC器件工艺技术

4.1　控制掺杂技术

　　控制掺杂是形成器件结的基本要求。SiC材料控制掺杂可采用原位掺杂和高温离子注入掺杂方法。原位掺杂是在材料生长期间通过CVD技术直接将电激活的n型杂质(N、P)和p型杂质(B、Al)掺入材料内部,控制材料的导电类型和电阻率。其中n型掺杂采用N2、PH3等;p型掺杂采用B2H6、三甲基铝(TMA)或AlCl3,掺杂浓度与掺杂源气体分压比呈线性关系。

要形成器件和集成电路,还需要区域选择掺杂。由于SiC材料的高密度和低杂质扩散系数,无法采用Si工艺中成熟的扩散工艺。而常温离子注入又存在缺陷无法恢复、杂质激活率低的问题。实际可行的方法是在400～700℃下进行高温离子注入,该方法可注入B、Al、N等杂质,得到无损伤的注入区域和注入杂质的高3　SiC材料生长技术

早期的SiC材料主要是通过制作磨削材料的工业化的Acheson方法生长的。1955年Lely报道了升华再结晶工艺,它采用一个内装多晶SiC粉末的多孔石墨管,用感应加热方法加热到2500℃,从而升华出SiC,并在石墨腔体内部,

4.2　金属化技术

金属化技术用于在SiC材料表面上形成良好的欧姆接触和肖特基势垒接触,它通常采用成熟的电子束蒸发、热蒸发和溅射方法。研究发现,多种金属(W、Mo、Cr、Ni)和合金(Au-Ta、W-Mo、Cu-Ti)都可以与SiC形成欧姆接触,重要的是寻求低阻、高稳定的接触材料。对于肖特基势垒接触,Ag、Al均可在SiC表面形成肖特基势垒,其势垒高度在1.45eV( -SiC)和1.20eV( -SiC)左右,并且具有较高的高温稳定性。

4.3　图形刻蚀技术

由于SiC材料的高稳定性,无法对它进行普通的湿法腐蚀。SiC材料的图形形成必须采用干法刻蚀技术。具体方法以等离子体刻蚀(PE)和反应离子刻蚀(RIE)为主,以CF4、SF6、CHCL3等F系、Cl系气体和O2为刻蚀剂,以溅射Al膜为掩蔽材料,通常可获得100nm/min左右的刻蚀速率和较高的选择性。4.4　氧化技术

为制备MOSFET类器件,需要在SiC表面形成一层氧化层。因此需要研究SiC材料的热氧化方法。研究表明,采用与Si工艺类似的干氧、湿氧方法可以进行SiC的氧化,氧化温度在1100～1150℃之间,但氧化速率较低,一般仅为几个nm/min。目前主要研究课题是SiC上SiO2膜的特性表征及其可靠性的改进。

强,是良好的微波和高频器件材料。已制成fmax达42GHz以上的SiCMESFET,加之高工作温度和高热导率,在军用相控阵雷达、通信广播系统中有明显的优势。美国已将其应用于新研制的HDTV数字广播系统之中。

表2　SiC材料的应用领域

特性

器　件

应　用

高温电子器件和集成电路各种高温环境短波长发光器件(蓝、绿

全彩色显示

光)

宽带隙蓝光激光二极管

紫外光敏二极管

抗辐射器件异质结器件

高性能功率器件

高击穿

高压器件场强

高密度IC封装

高电子微波器件迁移率高速器件

高密度数据存储发动机监测、控制核战场、核电、宇航各种电子系统

电子控制系统、节能系统电力电子系统各种电子系统

相控阵雷达、通信、广播军用系统、数据处理

各种电子系统高热导高集成度IC

率良好热耗散的大功率器件卫星、航空系统

　　短波长发光器件:6H和3C-SiC的禁带宽度为2.9eV和2.2eV,分别处于蓝、绿光等短波长发光波段,其中高亮度蓝光LED尤其重要,是实现全彩色大面积显示的关健,具有极大的市场。已实现了SiC蓝、绿光LED的批量生产,预计到2000年仅此一种器件就有2亿美元的销售额。

紫外光敏二极管:美国GE公司采用SiC材料实现了可在各种发动机内部工作的紫外光敏二极管,用于监测汽车、飞机、火箭等发动机的燃烧工作状态,并与SiC高温集成电路一起构成闭环控制,显著提高发动机工作效率,节约能源,减少污染。

蓝色激光二极管:利用SiC的结构特性,已研制出了可发蓝光的激光二极管,它将极大提高高密度数据存储的技术水平、并在未来生物化学战场的探测方面发挥不可缺少的作用。

5　SiC材料的器件应用

表2列出了SiC材料的主要应用领域。高温和大功率半导体器件:SiC材料的宽禁带和高温稳定性使得它在高温半导体器件方面有无可比拟的优势。采用SiC材料已制成了MESFET、MOSFET、JFET、BJT等多种器件,它们的工作温度可达500℃以上,为工作于极端环境下的电子系统提供了可能。在军用武器系统、航空航天、石油地质勘探等领域应用广泛。

微波及高频半导体器件:由于SiC具有较6　结束语

作为一种新型的半导体材料,SiC对未来电子信息产业具有重要的作用,对SiC材料的

(4):19～21

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王志会　男,工程师,1992年毕业于天津大学材料科学与工程系,工学硕士。现从事厚膜混合微电子技术的研究工作。

(上接第7页)

属化系统、芯片表面钝化、芯片粘接、引线键合工艺、器件安装工艺、筛选老化工艺、可靠性试验,军用标准修改等方面进行深入研究,塑封微电子器件就能可靠地用于工程电子装备之中,一旦塑封器件能大量应用于工程电子装备之中,它将为我国工程装备经费节省数以亿计的巨大开支,其意义是深远的。

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(上接第15页)

需求正呈急剧上升的趋势。除了军用高温器件之外,SiC蓝光发光器件在全彩色显示屏制造、SiC高温器件、集成电路、传感器在石油钻探、

SiC大功率器件、微波器件、抗辐射加固器件方

面都有广阔的应用前景。

杨银堂　现为西安电子科技大学微电子研究所教授、所长,主要研究方向为超大规模集成电路技术、新型半导体材料