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半导体碳化硅单晶材料的发展!

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半导体碳化硅单晶材料的发展!

发布日期:2018-10-17 00:00 来源:http://www.sycxsic.com 点击:

半导体碳化硅单晶材料的发展!

以硅(Si)、砷化镓(GaAs)为代表的第一代和第二代半导体材料的高速发展,推动了微电子、光电子技术的迅猛发展。

然而受材料性能所限,这些半导体材料制成的器件大都只能在200℃以下的环境中工作,不能满足现代电子技术对高温、高频、高压以及抗辐射器件的要求。

作为第三代宽带隙半导体材料的代表,碳化硅(SiC)单晶材料具有禁带宽度大(~Si的3倍)、热导率高(~Si的3.3倍或GaAs的10倍)、电子饱和迁移速率高(~Si的2.5倍)和击穿电场高(~Si的10倍或GaAs的5倍)等性质[1-2],如表1所示。

SiC器件在高温、高压、高频、大功率电子器件领域和航天、军工、核能等环境应用领域有着不可替代的优势[3-7],弥补了传统半导体材料器件在实际应用中的缺陷,正逐渐成为功率半导体的主流。

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半导体碳化硅单晶材料发展史

SiC是早发现的半导体材料之一,自1824年瑞典科学家Berzelius在人工合成金刚石的过程中观察到SiC多晶相以来,SiC 单晶的发展经历了一个漫长而曲折的过程。

1893年,Acheson将石英砂、焦炭、少量木屑以及NaCl的混合物放在电弧炉中加热到2700℃,终获得了SiC鳞片状单晶,如图1所示,这种方法主要用于制作SiC磨料,无法满足半导体要求。

直到1955年,Lely[8]首先在实验室用升华法成功制备出了SiC单晶,如图2所示,他将SiC 粉料放在石墨坩埚和多孔石墨管之间, 通入惰性气体(通常用氩气),在压力为1atm 条件下,加热至约2500℃的高温,SiC 粉料升华分解为Si, SiC2和Si2C等气相组分,在生长体系中温度梯度产生的驱动力下,气相组分在温度较低的多孔石墨管内壁上自发成核生成片状SiC 晶体,这种方法奠定了毫米级SiC单晶生长的工艺基础,此后,有关SiC的研究工作展开。

1978年,Tairov和Tsvetkov[9]成功的把Lely法与籽晶、温度梯度等其它晶体生长技术研究中经常考虑的因素巧妙地结合在一起,创造出改良的SiC晶体生长技术,PVT法是目前商品化SiC晶体生长系统的主要方法。

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