第三代半导体材料及制造工艺ppt课件.ppt

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1、3.3第三代半导体材料（宽禁带半导体材料）Si为代表的，第一代半导体材料GaAs为代表的，第二代半导体材料SiC及GaN为代表的宽禁带材料，第三代半导体材料。包括材料本身和器件开发，仍在发展中。半导体材料的发展随着半导体材料的单晶制备及外延技术的发展和突破，并基于以下几方面原因，宽带隙半导体材料应运而生。耐高温、高热导、高耐压特性，发展高温（>300℃）、高功率和低损耗电子器件。高亮度发光管，从而使人类可以获得高重复性、长寿命的全色包括白光光源，短波长激光器，束斑尺寸小，可实现高密度数据光存储，以及及紫外探测

2、器。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2eV以上，拥有一系列优异的物理和化学性能。主要半导体材料的基本特性物理量SiGeGaAsGaNAlN3C-SiC6H-SiC金刚石带隙宽度(eV)1.120.671.433.376.22.363.05.5能带类型间接间接直接直接直接间接间接击穿场强(MV

3、/cm)0.30.10.0651.2-1.413-5<10电子迁移率(cm2/Vs)1350390085001200300<800<400<2200空穴迁移率(cm2/Vs)4801900400<20014<320<90<1800热导率(W/cmK)1.30.580.552.02.853.64.96-20饱和电子漂移速度(107cm/s)122.51.42.52.5晶格常数(Å)5.435.665.653.1895.1863.1124.9824.35963.080615.11733.567键结合能（eV）~5

4、SiC材料及器件的一些具体应用高频功率器件：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；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；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；作为生长GaN、AlN、金刚石等的衬底。SiC的结构四面体单元，每种原子被四个异种原子所包围原子间通过定向

5、的强四面体SP3键结合在一起，并有一定程度的极化SP3杂化轨道四面体单元SiC的结构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1200-1430K,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。SiC是一种天然超晶格，又是一种典型的同质多型体SiC的结构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

6、、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。SiC的结构SiC结构示意图a)3C-SiC；b)2H-SiC；c)4H-SiC；d)6H-SiC。a)ABCABC…,3C-SiCb)ABAB…,2H-SiC；c)ABCBABCB…,4H-SiCd)ABCACB…,6H-SiCSiC优良的物理和化学性能力学性质:高硬度(克氏硬度为3000kg/mm2)，可以切割红宝石；高耐磨性，仅次于金刚石。热学性质:热导率超过金属铜，是Si的3倍，是GaAs的8-10倍，散热性能好，对于大功率

7、器件非常重要。SiC的热稳定性较高，在常压下不可能熔化SiC。化学性质: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1700oC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。电学性质:4H-SiC和6H-SiC的带隙约是Si的三倍，是GaAs的两倍；其击穿电场强度高于Si一个数量级，饱和电子漂移速度是Si的2.5倍。4H-SiC的带隙比6H-SiC更宽。SiC块材单晶的制备T(K)(平衡)相对量(非平衡)SiC多型结

8、构与加热温度的关系SiC块材单晶的制备不同于Si材料，SiC材料无法用熔体提拉法进行单晶材料的制备，主要是因为在现有的实验条件所能达到的压力条件下，SiC没有熔点，而只是在1800oC以上时升华为气态。在目前实验条件所能达到的温度条件下，C在Si熔体中的溶解度也非常小。熔融生长法不能用于SiC单晶的生长。1824年，瑞典科学家J.JacobBerzelius在试图制备金刚石时意外发现了这种新的化合物