SiC外延行业动态

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1、SiC 同质外延行业动态一、行业概述半导体技术与人们的生活息息相关，它在提高人们生活水平的同时，深刻地 影响了当代人的方方面面。作为半导体技术的一个重要分支，半导体材料对半导 体技术的发展有着举足轻重的作用，它的每一次发展都会推动半导体器件和集成 电路性能的较大进步。为了进一步提高半导体技术，我们需要坚持不懈地研究半 导体材料。现在，使用半导体材料 Si、Ge 制造器件的技术比较成熟，应用的范围相当 广泛。然而，随着电路系统工作环境的复杂化，我们对电子器件的性能要求也更 加严格，硅材料已不能满足要求。所以第二代半导体材料 GaAs 等应运而生，在 一定程度范围满足了现代技术应用的要求。在此之后

2、，又研究出第三代宽带隙 (Eg2.3eV)半导体材料。第三代半导体材料凭借其优越的综合性能脱颖而出， 其中具有代表性的是 SiC 和 GaN。Si 器件作为当今世界的主流，日益表现出局限性，其带隙宽度较小，高温下 不能正常工作，在高温、高频、大功率及强辐射条件下性能捉襟见肘。 Si 器件的 最高耐温只有150，而SiC器件的耐温可达600C，而且热导率高，有利于器 件良好地散热，使器件发挥更好的性能，由于散热良好，器件和集成电路的体积 可以做的更小。 SiC 器件和 Si 器件相比，耐压范围也更高，如图 1.1 所示。第三 代半导体材料的性质见表 1.1，所以在耐腐蚀等环境下，有着巨大的应用价

3、值。 电力电子领域是 SiC 材料应用的典型领域。图 1.1 Si 和 SiC 器件耐压值范围在航空航天或军事领域，系统的工作条件极其恶劣。从 80 年代末起， SiC 材 料与器件的飞速发展。由于 SiC 材料种类很多，性质各异，它的应用范围十分广 泛。在大功率器件方面，利用 SiC 材料可以制作的器件，其电流特性、电压特性、 和高频特性等具有比 Si 材料更好的性质。在高频器件方面， SiC 高频器件输出功率更高，且耐高温和耐辐射辐射特性 更好，可用于通信电子系统等。在光电器件方面，利用 SiC 不影响红外辐射的性质，可将其用在紫外探测器 上，在350C的温度检测红外背景下的紫外信号，功率

4、利用率80%左右。在耐辐射方面，一些 SiC 器件辐射环境恶劣的条件下使用如核反应堆中应用 高温应用方面，利用 SiC 材料制备的器件工作温度相当地高，如 SiC MOSFET 和 SiC 肖特基二极管可在 900k 下工作。从世界范围来看，高功率器件是最有可能实现的，应用潜力也最大，如图 1.2 所示oSiC作为二元化合物半导体，属于W族元素中唯一的固态化合物。它Si-C健 的能量很稳定，这也是SiC在各种极端环境下仍能稳定的原因。SiC的原子化学 能高达1250KJ/mol；德拜温度达到1200-1430K,摩尔硬度达到9级，仅比金刚 石摩尔硬度低些；导热性良好，达5W/cm.K,比其他半

5、导体材料好很多。图1.2 SiC功率器件的应用范囤SiC有多种同质多型体，不同的同质多型体有不同的应用范围。典型的有 3C-SiC、4H-SiC和6H-SiC,它们各有不同的应用范围。其中，3C-SiC是唯一具有 闪锌矿结构的同质多型体，其电子迁移率最高，再加上有高热导率和高临界击穿 电场，非常适合于制造高温大功率的高速器件；6H-SiC具有宽的带隙，在高温电 子、光电子和抗辐射电子等方面有使用价值，使用6H-SiC制造的高频大功率器件， 工作温度高，功率密度有极大的提升；而 4H-SiC 具有比 6H-SiC 更宽的带隙和较 高的电子迁移率，是大功率器件材料的最优选择。由于 SiC 器件在国

6、防和民用领域不可替代的地位，世界上很多国家对 SiC 半 导体材料和器件的研究都很重视。美国的国防宽禁带半导体计划、欧洲的ESCAPEE 计划和日本的国家硬电子计划等，纷纷对 SiC 半导体材料晶体制备和外延及器件 投入巨资进行研究。SiC 电子器件是微电子器件领域的研究热点之一。 SiC 材料的击穿电场有 4MV/cm，很适合于制造高压功率器件的有源层。而由于SiC衬底存在缺陷等原 因，将它直接用于器件制造时，性能不好。 SiC 衬底经过外延之后，其表面缺陷 减少，晶格排列整齐，表面形貌良好，比衬底大为改观，此时将其用于制造器件 可以提高器件的性能。为了提高击穿电压，厚的外延层、好的表面形貌

7、和较低的 掺杂浓度是必需的。一些高压双极性器件，需外延膜的厚度超过50p m,掺杂浓度小于2X 1015cm-3，载流子寿命大过1us。对于高反压大功率器件，需要要在4H-SiC衬底上 外延一层很厚的、低掺杂浓度的外延层。为了制作 10KW 的大功率器件，外延层 厚度要达到100p m以上。高压、大电流、高可靠性SiC电子器件的不断发展对 SiC 外延薄膜提出了更多苛刻的要求，需要通过进一步深入的研究提高厚外延生 长技术。电子迁移率|J 和空穴迁移率|J p表示单位电场下载流子的漂移速度，对器 件而言，这是决定性的重要参数，影响到器件的微波器件跨导、 FET 的输出增益、 功率 FET 的导通

8、电阻和其它参数。本征载流子浓度（n.）与导带和介带的状态密度Nc和Nv成比例。然而，由i于晶格热膨胀和电子质子耦合的结果，像带隙Eg那样，也与温度有关。本征载流 子浓度在高温器件应用中是一个很重要的参数，因为器件中 pn 结漏电流通常与 n或n2成正比。ii电子和空穴的传输特性是重要的材料参数，它们由载流子速度电场（u ?范） 性描述。u ? E特性通常用载流子迁移率及饱和漂移速度描述。速度达到饱和时 的电场值表征载流子速度被加速到达饱和值的快慢。此外，SiC物质在扩散渗透时有低的渗透度。电荷载流子寿命较短，但是寿 命和扩散长度随温度的升高而增大。二、行业动态2.1 国内外现状SiC 是最早发

9、现的半导体材料之一。早在 1824 年，瑞典科学家 Berzelius 在 试图合成金刚石时偶然发现了 SiC，首次揭示了 C-Si键存在的可能性。直到1885 年，Acheson才第一次使用焦炭与硅石混合在电熔炉中高温加热获得SiC单晶。 但得到的SiC杂质浓度较高，结晶完整性较差，同时SiC的结晶形态繁多，根本 无法用于制造电子器件。1955年，荷兰飞利浦研究室的Lely首次在实验室中用 升华气体再结晶的方法制成杂质数量和种类可控制的、具有足够尺寸的SiC单晶， 由此奠定了碳化硅的发展基础。在此基础上，前苏联科学家Tariov和Tsvetkov等 人于1 978年提出利用籽晶升华法(see

10、ded sublimation method)生长SiC单晶，即所 谓“改进的 Lely 法”(modified Lely method)或物理气相传输法(physical vapor transport， PVT)，从根本上克服了液相生长SiC比较困难这一障碍。1987年，专 门从事SiC半导体研究工作的Cree公司成立，并于1994年制备出4H-SiC晶片。 随后， SiC 器件的制造工艺，如离子注入、氧化、刻蚀、金属半导体接触等取得 了重大进展，从而掀起了 SiC 材料、器件及相关技术研究的热潮，并取得了突飞 猛进的发展。就SiC单晶生长来讲，美国Cree公司由于其研究领先，主宰着全球S

11、iC市场， 几乎85%以上的SiC衬底由Cree公司提供。此外，俄罗斯、日本和欧盟(以瑞典 和德国为首)的一些公司和科研机构也在生产SiC衬底和外延片，并且已经实现商 品化。在过去的几年中， SiC 晶片的质量和尺寸稳步提高， 1998 年秋， 2 英寸直 径的4H-SiC晶片已经在投入市场。1999年直径增大到3英寸，微管(micropipe)密 度下降到10 / cm2左右,这些进展使得超过毫米尺寸的器件制造成为可能。从2005 年下半年，微管密度小于l / cm2的3英寸6H和4H-SiC晶片成为商用SiC材料的 主流产品。2007年5月23日，Cree公司宣布在SiC技术开发上又出现了

12、一座新 的里程碑一英寸(100 mm)零微管(ZMP)n型SiC衬底。同时，螺旋位错 (screwdislocation)密度被降低到几百个/ cm2。虽然螺旋位错对器件性能的影响不 如微管那么大，但还是会影响到击穿场强、少数载流子寿命等材料性能。SiC单晶 材料取得的突破进展，不断推进着SiC器件的研究和发展,大部分常规的SiC单极、 双极、二端和三端器件都取得了很好的进展。拥有高温、高频特性，击穿电压几 千伏、电流几十安培的肖特基二极管已开发成功，300W10、20A, 600V / 212A、 20A和1. 2kV/10、20A的二极管已经实现商品化。SiC MESFET及JFET等高频

13、大 功率器件成为近几年SiC器件的一个研究热点。SiC结型场效应晶体管(Junction Field Efieet Transistor)由于在高压、大功率的优越特性，在汽车电子、DC. DC转 换器等领域具有很好的应用前景。2003年，Jian H. Zhao等人研制了凹沟和注入 的4H-SiC VJFETL341。其性能指标为在VC=-9V时，阻断电压为1710V，且RON_sp 轴为 2.77mOcm2，品质因子(Figure of Merit)VB2 / RON_sp=1056MW / cm2。2007 年，Rongxi Zhang等人报道了便于集成的4H-SiC横向RESURF JF

14、ET，其性能指标为 阻断电压为1000V，比开态电阻R sp为9. 1mOcm2，VB2 / Rsp =1056MWONON/cm2。Yongxi Zhang等人还研制了垂直沟道横向结的RESURF JFET，比开态电阻RON_sp 即为 9.1mO cm2，VB2 / RON_sp =116MW/cm2； SiC 双极晶体管(BipolarJuention Transistor具有很好的大电流放大能力，而且能够在射频领域工作，成为 最近SiC器件研究的热点之一。2006年，Jian Hui Zhang等人研制了 12p m P漂 移层的SiC BJT,器件性能为：创记录的比开态电阻为RN_s

15、p为2帥0打，基 极开态时收集极一发射极阻断电压为757V,电流增益为18.8。2008年Jian Hui Zhang等人研制了高发射极电流增益SiC BJT，器件性能为：比开态电阻为RN_sp 为3.0 mOcm2，基极开态时收集极一发射极阻断电压为1750V，电流增益高达 70,显示了 SiC BJT的良好发展态势；2008年，Robert S. Howell等人报道了芯片 面积0.43cm2，有源区面积O. 15cm2，击穿电压为10kV的DMOSFET，在栅电场 为3MV/cm时的IDS=8A，而V =0v时的亚阂值电流从25C的1p A降到200CGs的0.4p A。目前SiC MO

16、SFET的主要技术挑战在于沟道迁移率的提高和氧化层可靠 性的改善；SiC MESFET作为工作在UHF-X波段频率范围内的功率晶体管进入了成 熟期，Cree公司于2005年报道单片4H-SiC MESFET的微波大功率产品，工作频率 3 GHz, 40-50 V电压，连续波输出功率80 W，增益大于7.6 dB,功率附加效率38%, 脉冲输出功率120 W。此外，Cree公司采用4个晶体管制成输出功率为400 W的 功率放大器。最近，Northrop Grumlilan Co.制成大功率4H. SiC MESFET在周长 为1.92 mm,栅长为0.5 pm, 10 GHz下，输出功率为6 W,相应的增益、漏效率 和功率附加效率分别为5.1db、52%和34. 6%。美国Purdue大学制成的亚微米 T型栅SiC MESFET的饱和漏电流为350 mA / m m,跨导为20 ms/mm,漏击穿电 压为120