SiC材料的特性及应用.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,SiC,材料的特性及应用,颜小琴,2004.11.15,1,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,2,Silicon Carbide Technology(SiC),Why a new Technology?,Si has served wonderfully well as a semiconductor for most applications,Si devices fail to operate at high temperatures of around 300,C,Since Si is a small band gap material,sufficiently high breakdown voltages cannot be applied,3,SiC,s superior Performance,SiC is especially useful for:,High Temperature Environment,High Radiation conditions,High Voltage switching applications,High power Microwave applications,4,SiC is superior compared to Si because:,It has exceptionally high Breakdown electric field,Wide Band gap Energy,High Thermal conductivity,High carrier saturated velocity,5,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”,。,6,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。,7,SiC,材料的发展史话,1824,年,瑞典科学家,Berzelius(1779,1848),在人工合成金刚石的过程中就观察到了,SiC,；,1885,年,Acheson(1856,1931),首次生长出了,SiC,晶体,(Carborundum),；,1905,年，法国科学家,Moissan(1852,1907),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(1881,1966),制造出了第一只,SiC,的电致发光二极管；,8,SiC,材料的发展史话,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。,9,SiC,材料的特性及应用,.SiC for High Power,High Temperature Electronics,Si,GaAs,3C-SiC,6H-SiC,4H-SiC,晶格常数,(,),5.43,5.65,4.3596,3.081 15.092,3.081 10.061,熔点,(K),1420,1235,2100,2100,2100,热稳定性,Good,Fair,Excellent,Excellent,Excellent,带宽,(eV),1.11,1.43,2.23,3.02,3.26,最高工作温度,(K),600,760,1250,1580,1580,电子迁移率,(cm,2,VS),1500,8500,1000,400,1140,空穴迁移率,(cm,2,VS),600,400,50,50,50,饱和电子速率,(10,7,cms),1.0,1.0,2.2,2.0,2.0,临界电场,(10,6,Vcm),0.3,0.6,2.0,3.2,3.0,介电常数,11.8,12.5,9.7,10,9.6,热导率,(WcmK),1.5,0.46,4.9,4.9,4.9,SiC,与,Si,和,GaAs,的有关参数的对比,10,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。,11,SiC,材料的特性及应用,.Polytypism in SiC,3C-SiC 6H-SiC 4H-SiC,12,3C-SiC,13,6H-SiC,14,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掺杂方式，个别用离子注入。,15,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,16,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。,17,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,18,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。,19,Comparison of Si and SiC devices under similar conditions,20,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：,21,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,22,SiC,材料的制备方法,.SiC Substrate Crystal Growth,23,24,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,(2200,C,),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，于是发展了多种外延,SiC,的方法。,25,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。,26,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。,27,谢谢大家！,28,