郑州碳化硅衬底4寸sic

时间:2020年05月25日 来源:

为了制造碳化硅半导体器件,需要在碳化硅晶片表面生长1层或数层碳化硅薄膜。这些薄膜具有不同的n、p导电类型,目前主流的方法是通过化学气相沉积方法进行同质外延生长。        碳化硅外延生长方案中,衬底起很大的支配作用,早期碳化硅是在无偏角衬底上外延生长的,即从晶锭上切割下来的晶片其外延表面法线与晶轴(c轴)夹角θ=0°,如碳化硅晶片的Si(0001)或C(000)面,外延表面几乎没有台阶,外延生长期望能够由理想的二维成核生长模型控制。然而实际生长发现,外延结果远未如此理想。由于碳化硅是一种多型体材料,外延层中容易产生多型体夹杂,比如4H-SiC外延层中存在3C-SiC夹杂,使外延层“不纯”,变成一种混合相结构,极大地影响碳化硅器件的性能,甚至不能用这样的外延材料制备器件。另外,这样的外延层宏观外延缺点密度很大,不能用常规的半导体工艺制备器件,即薄膜质量难于达到晶圆级外延水平。SiC单晶生长经历了3个阶段,即Acheson法、Lely法、改良Lely法。郑州碳化硅衬底4寸sic

SiC晶体的获得**早是用AchesonZ工艺将石英砂与C混合放入管式炉中2600℃反应生成,这种方法只能得到尺寸很小的多晶SiC。至1955年,Lely用无籽晶升华法生长出了针状3C-SiC孪晶,由此奠定了SiC的发展基础。20世纪80年代初Tairov等采用改进的升华工艺生长出SiC晶体,SiC作为一种实用半导体开始引起人们的研究兴趣,国际上一些先进国家和研究机构都投入巨资进行SiC研究。20世纪90年代初,Cree Research Inc用改进的Lely法生长6H-SiC晶片并实现商品化,并于1994年制备出4H-SiC晶片。这一突破性进展立即掀起了SiC晶体及相关技术研究的热潮。目前实现商业化的SiC晶片只有4H-和6H-型,且均采用PVD技术,以美国CreeResearch Inc为**。采用此法已逐步提高SiC晶体的质量和直径达7.5cm,目前晶圆直径已超过10cm,比较大有用面积达到40mm2,微导管密度已下降到小于0.1/cm2。现今就SiC单晶生长来讲,美国处于**地位,俄罗斯、日本和欧盟(以瑞典和德国为首)的一些公司或科研机构也在生产SiC晶片,并且已经实现商品化。郑州碳化硅衬底4寸sicSiC会发生氧化反应,所以在其表面加一SiO2层以防止氧化。

碳化硅已成为全球半导体产业的前沿和制高点。作为新兴的战略先导产业,它是发展第3代半导体产业的关键基础材料。2014年,美国新兴制造产业的第1个产业制造创新中心——以碳化硅半导体为**的第3代宽禁带半导体创新中心,获得了联邦和地方**的合力支持,1.4亿美元的总支持额将用于提升美国在该新兴产业方面的国际竞争力。研究重点是:在未来的5年里,通过使宽禁带半导体技术拥有当前基于硅的电力电子技术的成本竞争力,实现下一代节能***大功率电力电子芯片和器件。这些改进措施将使电力电子装置,如电机、消费类电子产品,以及电网设备得以更快、更***地运转,且大幅度缩小其体积。日本也对碳化硅进行了大量投入,将发展碳化硅半导体技术列入“首相计划”,认为未来日本50%以上的节能将由碳化硅实现。我国**几乎在相同时期发布了新材料领域发展纲要,明确提出重点发展以碳化硅等为**的第3代半导体材料。

现在,SiC材料正在大举进入功率半导体领域。一些**的半导体器件厂商,如罗姆(ROHM)株式会社、英飞凌科技公司、Cree、飞兆国际电子有限公司等都在开发自己的SiC功率器件。英飞凌科技公司在今年推出了第5代SiC肖特基势垒二极管,它结合了第3代产品的低容性电荷(Qc)特性与第2代产品中的低正向电压(Vf)特性,使PFC电路达到**高效率水平,击穿电压则达到了650V。飞兆半导体发布了SiC BJT,实现了1 200V的耐压,传导和开关损耗相对于传统的Si器件降低了30%~50%,从而能够在相同尺寸的系统中实现高达40%的输出功率提升。ROHM公司则推出了1 200V的第2代SiC制MOSFET产品,实现了SiC-SBD与SiC-MOSFET的一体化封装,与Si-IGBT相比,工作损耗降低了70%,并可达到50kHz以上的开关频率。值得一提的是,IGBT的驱动比较复杂,如果使用SiC基的MOSFET,则能使系统开发的难度大为降低。SiC的市场颇为看好,根据预测,到2022年,市场规模将达到40亿美元,年平均复合增长率可达到45%。p-SiC电子迁移率比较高,饱和电子漂移速度**快,击穿电场**强,较适宜于制造高温、大功率、高频器件等。

SiC是**早发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,***揭示了C-Si键存在的可能性。直到1885年,Acheson才***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***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(seeded sublimation method)生长SiC单晶,即所谓“改进的Lely法”(modified Lely method)或物***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。 碳化硅由于其独特的物理及电子特性,在一些应用上成为短波长光电元件,高温,抗幅射以及高频大功率元件。郑州碳化硅衬底4寸sic

采用碳化硅作衬底的LED器件亮度更高、能耗更低、寿命更长、单位芯片面积更小。郑州碳化硅衬底4寸sic

SiC单晶生长经历了3个阶段,即Acheson法、Lely法、改良Lely法。利用SiC高温升华分解这一特性,可采用升华法即Lely法来生长SiC晶体。升华法是目前商业生产SiC单晶**常用的方法,它是把SiC粉料放在石墨坩埚和多孔石墨管之间,在惰性气体(氩气)环境温度为2 500℃的条件下进行升华生长,可以生成片状SiC晶体。由于Lely法为自发成核生长方法,不容易控制所生长SiC晶体的晶型,且得到的晶体尺寸很小,后来又出现了改良的Lely法。改良的Lely法也被称为采用籽晶的升华法或物***相输运法[10](简称PVT法)。PVT法的优点在于:采用SiC籽晶控制所生长晶体的晶型,克服了Lely法自发成核生长的缺点,可得到单一晶型的SiC单晶,且可生长较大尺寸的SiC单晶。郑州碳化硅衬底4寸sic

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