探讨碳化硅半导体技术的新发展
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摘要：随着社会的发展与进步，重视碳化硅半导体技术对于现实生活中具有重要的意义。本文主要介绍碳化硅半导体技术新发展的有关内容。
关键词碳化硅；半导体；材料；技术；工艺；发展；
中图分类号：TQ163+.4 文献标识码：A 文章编号：
引言
随着科学技术的发展，宇脱国防,是有勘探等领域对半导体电子器件提出了极为严格的要求，开发研制高温、高频、高功率、高耐压及抗辐射等新型半导体器件成为日益紧迫的问题.目前，半导体行业中常用的Si材料由于本身条件的限制，对上述要求难以胜任;而作为N-N族二元半导体材料的SiC具有较大的热导率、高临界击穿电场、宽禁带、高载流子迁移率等特点，越来越引起人们的重视.国外现已研制出多种SiC器件.特别是在高沮功率器件方面，所制备的SiC MC3SFET等器件的性能远远超出同类Si器件.目前已有SiC蓝色发光器件作为商品出售.随着SiC单晶生长技术和薄膜生长技术的突破，SiC材料在研制高温、高频、大功率、抗辐射半导体器件方面受到极大关注，并加速了该领域的发展步伐.近两年来，国际上已掀起了对SiC材料及器件研究的热潮。
一、半导体材料的特征
半导体材料在自然界及人工合成的材料中是一个大的部类。顾名思义，半导体在其电的传导性方面，其电导率低于导体，而高于绝缘体。它具有如下的主要特征。（1）在室温下，它的电导率在103—10-9S/cm之间,S为西门子，电导单位，S=1/r(W. cm) ；一般金属为107—104S/cm,而绝缘体则
二、晶体生长
SiC具有同质异型体的特点，其每一种晶体结构都有着自己独特的电学及光学性质.表1给出了常见的几种具有不同晶体结构的SiC的电学特性与硅及砷化稼的比较.在许多器件应用中，SiC的高击穿电场(比硅的5倍还大、宽的禁带宽度吸大于硅的2倍、高载流子饱和漂移速度(是硅的2倍)以及大热导率(大于硅的3倍)将充分发挥器件的应用潜力。
尽管许多年以前人们就已经知道了SiC的一些潜在的优良电学特性，但由于材料生长的原因，直到现在还不能将这些特性充分应用到器件或集成电路中去.目前通过改进型Lely升华的方法得到了大面积重复性好的&H-SiC单晶,1989年2. 54 cm的6H-SiC单晶片首先商业化，此后SiC半导体器件技术得到迅猛发展。
在众多的SiC晶休结构中，4H-sic和6H-S〔由于其单晶生长工艺的成熟性以及较好的重复性，使它们在电子器件中应用比较广泛.市场上可得到的4H或8H SiC晶片的直径已经达到4.445 cm，具体价格根据其规格的不同从800 -2 000美元/片不等，这些产品主要来自于美国的Cree公司.如果晶片的价格有所下降，将会更加促进SiC技术的发展.另外，Westinghouse公司在SiG材料方面也取得了一些可喜的成果:他们成功地制备了半绝缘SiC晶片，其室温下的电阻率大于10Ωcm，并首次得到7. 82 cm的SFC晶片。
4H-S iC的载流子迁移率较8H-SiC.的要高，这使其成为大多数SiC器件的首选材料. 8H-SiG本身固有的迁移率各向异性使之在平行于G轴方向导通率有所下降，导致纵向MOSFET功率器件多选用4H-SiC.为减小纵向MOSFET功率器件中衬底寄生电阻，目前4H-SiC电阻率可达到0.0028dΩcm.4H-SIG的高迁移率掩盖了利用8H-SiG为衬底进行同质外延而生成3G-SiG薄膜所带来的优点。
目前影响SiG电子器件实现的首要因素之一就是控制生长高质量的SiC外延薄膜.在SiC电子器件的实现过程中，控制生长高质量的外延层是关键的一步、目前，化学气相淀积技术可满足制备重复性好的外延层及批t生产这两方面的需求.为了减少由于晶格失配、热膨胀系数不同所带来的缺陷等间题，生长时选用SiC基片.首先要抛光SiC基片使其表面偏离(0001)基面3 ^4度，这将使外延层中原子堆垛顺序与SiC衬底内的原子堆垛顺序相同.同时，为得到N 型外延层，可在反应气体中加人氮气(N2);而P型则加入三甲基铝或三乙基铝.如果在今后的工作中能够很好地解决在大面权Si上异质外延生长低块陷的3GSiC薄膜的问题。那么3C-SiC必将在以后的SiG器件和集成电路中发挥越来越重要的作用。
随着从SiC器件向着SiC集成电路的发展，SiC外延层的均匀性和外延层表面形态的好坏也越来越重要.目前，商业上SiC外延层厚度的容差为士25%，而研究人员报道了修杂均匀性为士20%厚度均匀性容差为士7%的大于5. 08 cm的SiC基片.对于所有的SiC同质外延层，目前均为观察到具有十分理想的表面形貌、据预侧，借助于精密的CVD反应装置、日益成熟的反应条件，在不远的将来这些问题都会迎刃而解、
三、分立器件
近几年来，在一些文献中相继报道了许多SiC器件模型，其中的一些已经进人商品市场.蓝色发光二极管是首次进人商业领域的SiC器件，而小信号二极管、结型场效应晶体管(工作温度大于350℃)以及紫外光敏管也正逐步商品化。到目前为止，对于像金属化、离子注人、表面钝化、氧化及刻蚀等这些基本的器件工艺技术只进行了有限的研究工作(因此SiC器件均未采用优化的器件设计和工艺流程).
尽管缺乏优化的器件制造工艺。从不同的S〔器件样品中还是得到了许多令人鼓舞的结果.实验中，X波段SiC MOSFET虽然存在很强的衬底低寄生电阻率现象，但其输出功率密度在1 GHz时仍优于GaAs MOSFET的理论最大值.首次制备在高阻6H-S(衬底上的微波MOSFET测量得到fmax为25 GHz，在1O GHz时频率增益为8. 5 dB.近来Kimoto等在高压(500---1 000 V) 4H-SiC肖特基整流管的研究中已得到比Si肖特基整流管的接触电阻的理论最小值小1 00。多倍的接触电阻.目前，工作沮度超过300℃的SiC pN结二极管,MOSFET,JFET,BJT以及可控硅等器件已经研制成功(如图1所示).当这些未进标封装的器件在大气中600℃下工作时，其合金部位所发生的化学变化使它的工作寿命仅为几个小时;但在无氧环境下，器件的寿命则很长.显然，研究河靠的内部连接、钝化以及封装技术对于SiC器件能否在恶劣条件下工作极为重要。
除了微管缺陷外，SiC基片外延层中的位错密度侧得为10 000/cm2这些缺陷不像微管缺陷那祥对器件的功能有很大的损害、但它们的存在将影响器件的漏电流、场击穿、载流子寿命和其他的物理效应.观察用Leiy生成的SiC晶片(不适合大批量生产)，会发现有大于1 mm2的无缺陷面积存在、这表明这些缺陷是可以避免的.