§6SiC 材料及器件 §6.1 SiC 材料简介无论是半导体分立元器件还是集成电路，第一代元素半导体材料 Si 都是当今微电子器 件的主要基底材料，Si器件占据着当今微电子器件领域的绝大部分市场份额除Si外，以 GaAs、为代表的第二代化合物半导体也有着广泛的应用然而，Si器件也有着它应用的局 限性硅材料是间接带隙，带隙宽度较小，只有1.1 eV这样的带隙宽度决定了当温度较 高时，由热激发的本征载流子浓度超过由掺杂引起的杂质载流子浓度，使得Si成为本征半 导体，掺杂特性消失，从而器件不能正常工作Si的热导率也较低（1.5 W/cm.K）, Si器件 散热慢，限制了其在功率器件中的应用此外，Si的化学稳定性也一般Si材料的这些局 限性使得它难以在高于 250oC 的环境下正常工作，尤其在高频、大功率以及强辐射等极端 条件下，硅器件就更难以胜任 GaAs 的禁带比 Si 稍宽，有利于制作需要在较高温度下工 作的器件，但其热导率较低，不适合制作电力电子器件，难以在大功率和强辐射等极端条 件下工作近年来，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在第三代半导体材料 中， SiC 和 GaN 已经从材料研究阶段逐步进入器件研究阶段，基于这两种材料的部分器件 （如LED）已经实现商品化相对于GaN，SiC的导热系数明显提高，而且SiC单晶材料更 容易获得，价格也相对较低，因此在高温和大功率领域 SiC 更有优势 SiC 具有大禁带宽 度、高临界场强、高热导率和高载流子饱和速率等特性，其品质因数远远超过了 Si 和 GaAs（如表6所示），因而成为制造高功率器件、高频器件、高温器件和抗辐照器件最重要 的半导体材料除了利用 SiC 优良的电性质制作半导体器件外， SiC 良好的力学性能和光 学性能还可以用来制作宇航用光学反射镜与硅（Si）及砷化镓（GaAs）相比，SiC具有宽禁带（Si的3倍）、高热导率（Si的3.3 倍）、高击穿场强（Si的10倍）、高饱和电子漂移速率（Si的2.5倍）以及高键合能等优点所 以 SiC 特别适合于制造高温、高频、高功率、抗辐射、抗腐蚀的电子器件。
SiC 器件可用 于人造卫星、火箭、雷达与通讯、战斗机、海洋勘探、地震预报、石油钻井、汽车电子化 等重要领域此外，SiC具有近200种多型体，不同SiC多型体在Si-C双层密排面的晶格 排列完全相同，材料的物理、化学和机械性能相同，但电性能差异很大，利用SiC的这一 优点可以制作 SiC 不同多型体的晶格完全匹配的异质复合结构和超晶格，从而获得性能极 佳的高温大功率微电子器件下面列举SiC材料及器件的一些具体应用：1） 高频功率器件：相控阵雷达、通信系统、固相UHF广播系统、高频功率供应、电子干 扰（干扰与威胁和预警系统）；2） 大功率器件：用于功率产生系统的功率电子、电涌抑制器、电动汽车的功率调节、电子 调节器（传动装置）、固相电灯镇流器；3) 高温器件：喷气发动机传感器、传动装置及控制电子、航天飞机功率调节电子及传感器、 深井钻探用信号发射器、工业过程测试及控制仪器、无干扰电子点火装置、汽车发动机 传感器；4)作为生长GaN、A1N、金刚石等的衬底1998年Cree公司生产以SiC为衬底的GaN基 LEDs，产量达每月1500万只表 5 SiC 和 GaAs、 Si 的基本特性和应用对比物理量3C-SiC4H-SiC6H-SiCGaAsSi应用场合宽带隙(eV)2.33.263.031.431.12高温及短波蓝光发 射。
SiC：最高工作温 度近1000K； Si：不 能超过500K击穿电场 (V/cm, 100V下操作)4.0x1062.2x1062.4x1063.0x1052.5x105比GaAs或Si高约一 个量级制作高电压、 高功率器件热导率(W/cm.K@RT)4.94.94.90.51.5有利于提高集成密 度，减少冷却系统，使 器件更小型化，提高 器件的运行功率饱和电子漂移率(cm/sec, E@2x105V/cm)2.5x1072.0x1072.0x1071x1071x107有利于高频使用，对 提高逻辑器件的运算 速率有重要意义键结合能(eV)~5抗腐蚀、辐射，高机 械强度和化学稳定正是因为SiC所具备的优良特性和SiC器件所展示的巨大应用潜力及在国防应用上具 有的特殊地位，国际上非常注重SiC材料与器件的研究开发美国在97年制订的“国防与 科学计划”中规定了宽带隙半导体的发展目标近两年日本成立了一个新能源及工业技术发 展组织，制定了一系列关于SiC材料与器件的国家计划，如“国家硬电子计划”，主要发展 高能，高速，高功率的开关器件，用于空间，原子能，存储及信息通讯在欧洲的一些国 家均设立了有关SiC宽带隙半导体研究开发计划。
为了获得高性能电子器件, 关键是要获得大尺寸高质量单晶和薄膜以及控制掺杂近 二十年来SiC材料研究在生长技术上取得突破：90年代初美国Cree公司已实现了 6H-SiC 和4H-SiC单晶片的商品化，目前4H-和6H-SiC单晶片的直径已达75mm，预计2000年底 可达100 mm,影响器件性能的缺陷也得到了很好的控制在外延技术方面，缓冲层技术 (buffer layer)，台阶控制外延技术(step-controlled epitaxy)，位置竞争技术(site-competition epitaxy )等的发展，使得外延膜质量有了很大提高，并且在外延层中实现可控掺杂90年代后期，在SiC器件研究方面进展较快在X-波段(8-12GHZ)工作的SiC高频 大功率器件目前已经实现，并已应用到军用雷达和卫星通讯方面，S-波段(1.55-5.2GHz)工作的高频大功率器件已成功地应用到高清晰度电视图像的发送和传播领域在美国海军 研究署的支持下，以Purdue大学为中心，研发大功率微电子SiC器件，并已研制出双极晶 体管、单片数字集成电路、CCD器件、双注入MOS器件、CMOS、DMOS集成电路等， 他们的工作还受到弹道导弹防御办公室以及半导体研究公司的支持。
美国防部高级研究计 划局对这些研究成果给予了高度评价在1999年，Cree公司报道用50 pm厚的4H-SiC 外延层制成了击穿电压达5.9 kV的P-i-N二极管，已接近其理论值尽管国际上在 SiC 材料及器件的研究中取得了可喜的进展，但仍存在一些重要问题有 待人们去解决，例如：1） 材料质量尚不够高，器件的各项参数与理论值相比还有距离；器件制造中的许多关键 工艺需要进一步探索；2） 目前SiC单晶价格昂贵（0 1.37英寸的4H- SiC晶片价格为$1500/片）对于碳化硅工业，一方面要优化生长工艺，提高单晶尺寸和质量，降低单晶价格另 一方面要探索在廉价的单晶硅或蓝宝石等衬底上异质外延生长高质量的SiC膜目前基于 SiC/Si的高温压力传感器、微机械的原型器件已研制成功使人们对异质外延SiC材料的 应用前景有了更进一步的认识国内几家科研力量很强的单位在SiC材料与器件的研究方面也有一定的进展中国科 技大学，中科院半导体所等单位根据自身的特色，开展了外延生长SiC膜及器件制作的研 究，其中在单晶硅衬底上异质外延生长3C-SiC, 4H-SiC膜的工作很有特色，其X-光衍射 半高宽及位错密度分别为482〃及2.6x109cm-2，仅次于Cree公司（300〃及1x109cm-2）。
为 开发廉价的高质量单晶SiC膜奠定了一定基础然而，我国在SiC材料及其器件研究方面起步晚，投入低，与国际水平差距较大，目 前研究所用的碳化硅单晶全都依赖进口但是，为打破西方国家对我国实行的高新科技特 别是军事高新科技封锁，我国决不能只依靠进口 SiC材料及其器件来发展第三代半导体产 业，所以我国开展碳化硅及其器件的研究具有很强的紧迫性§6.2 SiC的结构SiC是IV-IV族二元化合物半导体，也是周期表IV族元素中唯一的一种固态化合物 构成元素是Si和C,每种原子被四个异种原子所包围,形成四面体单元（图25a）原子间通 过定向的强四面体SP3键（图25b）结合在一起，并有一定程度的极化SiC具有很强的离子 共价键，离子性对键合的贡献约占12%，决定了它是一种结合稳定的结构SiC具有很高的 德拜温度，达到1200-1430 K，决定了该材料对于各种外界作用的稳定性，在力学、化学方 面有优越的技术特性a) 四面体单元(b) SP3 杂化轨道图 25 SiC 的四面体单元与 SP3 杂化轨道 (a) 四面体单元； (b) SP3 杂化轨道SiC 是一种天然超晶格，又是一种典型的同质多型体由于 Si、C 双原子层堆积序列 的差异会导致不同的晶体结构，从而形成了庞大的 SiC 同质多型族，目前已知的就有 200 多种。
SiC同质多型族中最重要的，也是目前比较成熟的、人们研究最多的是立方密排的 3C-SiC和六方密排的2H、4H和6H-SiC图26显示了这四种SiC多型体中Si和C原子 排列结构，其中A、B和C表示密堆积三种不同的排列位置由于沿晶轴方向不同的堆积 顺序，SiC可以表现出立方闪锌矿(卩-SiC)和六方纤锌矿结构(a-SiC)如果是ABCABC…， 得到闪锌矿型的3C-SiC,若是ABAB…，则得到2H-SiC；若是ABCBABCB…，形成4H-SiC； 若ABCACB…，则形成6H-SiC对于4H和6H多型体的a-SiC都是立方和六方两种结构 的混合体，区别是六方和立方所占比例不同，前者是1:1,后者是2:1SiC还以菱形结构 形式存在，如15R、21R等在SiC多型体中，只有2H-SiC是纯粹的六方结构，但在低于 400 oC的温度下将转化为其它多型体，表现出结构的不稳定SiC 同质多型体有理想的晶体化学相容性这些多型体的形成自由能很接近，但多型 体之间具有很高的能量势垒在基本化学成分相同的条件下，同质多型体间的物理性质， 特别是半导体特性有着独立的多样性,表现在带隙、载流子迁移率以及击穿电压等性质各不 相同。
在工艺方面，SiC同质多型体在扩散、氧化等加工过程也表现出各自固有的选择性A B C A B C(b)A B C A B C A(d)图 26 SiC 结构示意图 a) 3C-SiC ； b) 2H-SiC； c) 4H-SiC；d) 6H-SiC§6.3 SiC的物理和化学性质SiC 具有一系列优良的物理和化学性能，主要表现在：1） 力学性质: SiC 具有良好的力学性能人们最早发现的特性之一就是它的高硬度（克氏 硬度为3000kg/mm2）,可以切割红宝石它还具有高耐磨性，仅次于金刚石2） 热学性质：SiC的热导率甚至超过了金属铜，是Si的3倍，是GaAs的8-10倍，从而 由器件产生的热量可以迅速驱散,这对于大功率器件非常重要 SiC 的热稳定性较高,在 常压下不可能熔化SiC在高温下，SiC升华并分解为C和含Si的SiC蒸汽3） 化学性质： SiC 的化学性质非常稳定，耐腐蚀性非常强，室温下几乎可以抵抗任何已 知的腐蚀剂SiC表面易氧化生成SiO2薄层，能防止其进一步氧化，在高于1700 oC时， 这层SiO2熔化并迅速发生氧化反应SiC能溶解于熔融的氧化剂物质，。