第三代半导体材料碳化硅发展历程及制备技术

Question

如题所述

Answer 1

第三代半导体材料主要包括氮化镓（GaN）和碳化硅（SiC）等，其中碳化硅和氮化镓的结晶加工技术，在大规模生产上取得了显著成绩。此外，配合石墨烯、黑磷等新型二维材料的出现，以及氧化物半导体等全新材料的研发，也为第三代半导体的发展提供了可能。
下面简单介绍一下碳化硅的发展历程和制备技术：
发展历程：
1. 早期发展：碳化硅材料早在19世纪末便被发现，1907年，随着Ferdinand Braun发明了第一款无线电设备，铅硫矿晶体开始用于制作整流二极管，碳化硅也由此开始应用于电子器件。
2. 发展阶段：60年代以后，美国等开始对碳化硅材料进行深入研究，希望借此材料发展更先进的无线电设备。进入80、90年代，随着对碳化硅晶体生长技术的掌握，碳化硅的商业化生产开始实现。
3. 现代研究：21世纪以来，碳化硅应用于集成电路、功率电子等领域的研究进展迅速，取得了一系列突破性成果。
制备技术：
1. 气相沉积（CVD）法：气相沉积法是制备碳化硅的一种常见技术，通过高温下使气相中的材料在衬底上以单层或者多层的方式沉积成薄膜。
2. 物理气相沉积（PVD）法：物理气相沉积法通过物理方法（例如蒸发、溅射等）将物质从固态源转化为气态，然后在衬底上沉积生成薄膜或者多层膜。
3. 束外泻晶生长（PECVD）法：采用低温等离子体增强的气相沉积，主要是通过刷新反应气体并利用等离子体中的激发态粒子催化反应产生碳化硅膜，这样既能获得高质量的碳化硅膜，又能在低温下实现增长。
4. 分子束外延（MBE）法：这种方法属于超高真空技术，通过将元素原子束或分子束打到衬底上来生长晶体。
5. 液相外延生长（LPE）法：通过液相的碳化硅溶液，在高温高压的环境中，使衬底进行完美的外延生长。
目前，成本、效率和性能的问题是碳化硅材料制备中需要克服的主要难题。然而，随着科研技术的不断进步，这些问题有望得到解决，碳化硅材料在功率电子、射频、光电和其他领域的应用都有很大的发展空间。

Answer 2

本文说说碳化硅的那些事。

碳化硅材料的发展 历史 比较久远，1824年瑞典化学家Berzelius在人工生长金刚石的过程中发现了碳化硅SiC。1885年Acheson用焦炭和硅石的混合物以及一定量氯化钠在熔炉中高温加热，制备出了小尺寸碳化硅晶体，但存在大量缺陷。

碳化硅材料的应用始于20世纪初。1907年美国Round制造出第一个碳化硅发光二极管；1920年碳化硅单晶作为探测器用于早期的无线电接收机上。不过因为单晶生长难度较大，碳化硅在很长一段时间内没有很好的应用，到了1955年飞利浦发明了一种采用升华法制备高质量碳化硅的新方法即Lely法，碳化硅材料再次焕发生机。

七八十年代碳化硅的制备及应用实现重大突破。1978年前苏联科学家Tairov等人改良了Lely法，可以获得较大尺寸的碳化硅晶体。1979年第一个碳化硅发光二极管问世；1981年Matsunami发明了在硅衬底上生长碳化硅单晶的方法；1991年美国公司Cree采用升华法生长出碳化硅晶片并实现产业化。

目前碳化硅及其应用呈现出以下几个特点：第一是晶圆尺寸实现大尺寸化，Cree的6英寸碳化硅晶片实现产业化，并积极推进8英寸晶片的产业化。第二晶体缺陷密度不断下降，比如4英寸碳化硅单晶微管密度下降至0.1cm^-2以下，穿透性螺位错和基平面位错密度控制在10^2cm^-2。第三碳化硅基功率器件不断涌现，除了特斯拉和蔚来 汽车 在电动车上使用了SiC-MOSFET，还发展出了SBD、HMET等器件。当然第四点相比硅基半导体的奋起直追，中国在碳化硅第三代半导体上与国外发展水平基本持平，衬底方面天科合达等实现了4英寸的产业化和6英寸的技术突破，并积极向8英寸推进；山东天岳等公司拥有相应的外延生长技术。在器件制造上扬杰 科技 、士兰微等也积极推进碳化硅基功率半导体的产业化。

碳化硅材料的特性之一就是拥有超过200多种晶体结构，每一种结构对应的电学性能等存在一定差异。目前主要是六角4H、六角6H和菱方15R等，其中4H和6H实现产业化：

总体上相比氮化镓和硅等，碳化硅材料拥有最高的热导率、较高的带隙、电子迁移率和饱和电子速率等，可以制造能在高温、高压、更高功率和更高工作频率等情形下的器件。

在具体应用方面，碳化硅主要实现了以下应用：第一是碳化硅为衬底制备高亮度和超高亮度蓝绿InGaN铟镓氮LED；第二是实现了KV级高压MOSFET器件制造，比如罗姆半导体生产的1200V、35A的SiC-MOSFET；第三是用于300V到1200V甚至3300V等更高压的碳化硅基肖特基势垒管SBD的制造；第四是在半绝缘碳化硅衬底上制备氮化镓、铝镓氮AlGaN高电子迁移率晶体管HEMT；第五是在SiC-IGBT上有所突破，实现了P沟道IGBT的制造。

在碳化硅材料制备上，1955年飞利浦提出了Lely法，也称升华法。Lely法的基本原理是：在空心圆筒状石墨坩埚中（最外层石墨坩埚，内置多孔石墨环），将具有工业级纯度的碳化硅粉料投入坩埚与多孔石墨环之间加热到2500度，碳化硅在此温度下分解与升华，产生一系列气相物质比如硅单晶、Si2C和SiC2等。由于坩埚内壁与多孔石墨环之间存在温度梯度，这些气相物质在多孔石墨环内壁随机生成晶核。总的来说Lely法产率低，晶核难以控制，而且会形成不同结构，尺寸也有限制。

目前碳化硅材料制备多采用改进Lely法、高温CVD法和溶液法，其中以改进Lely法为主流。

改进Lely法也称物理气相传输法PVT，是前苏联科学家Tairov和Tsvetkov于1978年提出的。改进Lely法使用了工作频率10-100KHz的中频感应加热单晶炉，在生长过程中加入籽晶用于控制晶核和晶向：

在改进Lely法中碳化硅单晶生长主要经历低温高真空阶段、高压升温阶段、高压保温成核阶段、降压生长阶段、恒压恒温生长阶段和升压冷却阶段等六个阶段。当然在具体生长过程中，为了制备符合要求的碳化硅单晶，降低微管、位错密度等缺陷，会对籽晶的籽晶面等适当微调，在此不再展开。

碳化硅单晶有绝缘型、半绝缘型之分，按照掺杂类型还有P型掺杂和N型掺杂之分，无形中提升了碳化硅的制备难度。比如制备功率器件的是N型4H-SiC衬底，器件要求衬底电阻率小于20毫欧姆*厘米，制备低电阻率的N型4H-SiC常用高浓度N掺杂，但随着掺杂浓度提高，单晶中位错密度会升高。Kato等人提出的氮、铝共掺杂技术制备出了低电阻率的N型4H-SiC单晶，所用的单晶炉有两套加热系统，其中上部加热系统与普通Lely法相同，主要对SiC原料加热并为单晶生长提供合适的温度；下部加热系统为铝原料加热。这样通过对生长压力、温度等参数调整，可以实现有效的氮、铝共掺杂。

碳化硅的外延主要采用化学气相沉积CVD，以后再说。本回答被网友采纳