碳化硅宽带隙半导体材料生长技术及应用
日期：2007-4-29王强，李玉国，石礼伟，孙海波 |
（山东师范大学半导体研究所，山东 济南 250014） |
| 摘要：概括了宽带隙半导体材料碳化硅的主要特性及生长方法，介绍了其在微电子及光电子领域的应用，并对其发展动态及存在问题进行了简要评述。 关键词：宽带隙半导体；碳化硅；光电子学 1 introduction ａｓ ｉｔ ｉｓ ｗｅｌｌ ｋｎｏｗｎ，ｔｈｅ ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ ｓｉ ａｎｄ ｇａａｓ ｄｅｖｉｃｅｓ ａｒｅ ｉｎａｐｐｌｉｃａｂｌｅ ａｔ ｔｈｅ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ａｂｏｖｅ ２５０ ℃，ａｎｄ ｔｈｅｙ ｃａｎｎｏｔ ｐｅｒｆｏｒｍ ｗｅｌｌ ｕｎｄｅｒ ｔｈｅ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ ｏｆ ｈｉｇｈ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ，ｈｉｇｈ ｐｏｗｅｒ ａｎｄ ｓｔｒｏｎｇ ｒａｄｉａｔｉｏｎ． ｗｈｅｎ ｃｏｍｐａｒｅｄ ｗｉｔｈ ｓｉ ａｎｄ ｇａａｓ，ｓｉｃ ｍａｔｅｒｉａｌ ｈａｓ ｍａｎｙ ａｄｖａｎｔａｇｅｓ，ｓｕｃｈ ａｓ ｗｉｄｅ ｂａｎｄｇａｐ，ｈｉｇｈ ｂｒｅａｋｄｏｗｎ ｆｉｅｌｄ，ｈｉｇｈ ｔｈｅｒｍａｌ ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙ，ｈｉｇｈ ｓａｔｕｒａｔｅｄ ｄｒｉｆｔ ｖｅｌｏｃｉｔｙ ｏｆ ｅｌｅｃｔｒｏｎｓ，ｓｔａｂｌｅ ｃｈｅｍｉｃａｌ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ａｎｄ ｓｕｒｖｉｖａｌ ａｂｉｌｉｔｙ ｉｎ ｓｔｒｏｎｇ ｒａｄｉａｔｉｏｎ，ｗｈｉｃｈ ｍａｋｅ ｉｔ ａ ｐｒｏｍｉｓｉｎｇ ｃａｎｄｉｄａｔｅ ｉｎ ｔｈｅ ａｄｖｅｒｓｅ ｃｉｒｃｕｍｓｔａｎｃｅ ｗｈｅｒｅ ｔｈｅ ｓｉｌｉｃｏｎ ｄｅｖｉｃｅｓ ｈａｖｅ ｂｅｅｎ ｄｉｓａｂｌｅｄ． ｔａｋｉｎｇ ｔｈｅ ａｄｖａｎｔａｇｅ ｏｆ ｉｔｓ ｗｉｄｅ ｂａｎｄｇａｐ（２３ ｅｖ～３３ ｅｖ），ｔｈｅ ｂｌｕｅ，ｇｒｅｅｎ ａｎｄ ｕｌｔｒａｖｉｏｌｅｔ ｌｉｇｈｔｅｍｉｔｔｉｎｇ ｄｅｖｉｃｅｓ ａｎｄ ｐｈｏｔｏ ｄｅｔｅｃｔｏｒｓ ｈａｖｅ ｂｅｅｎ ｆａｂｒｉｃａｔｅｄ． ｗｈａｔ ｉｓ ｍｏｒｅ，ａ ｎａｔｕｒａｌｌｙ ｆｏｒｍｅｄ ｔｈｉｎ ｌａｙｅｒ ｏｆ ｓｉｏ２ ｏｎ ｉｔｓ ｓｕｒｆａｃｅ ｉｓ ａｄｖａｎｔａｇｅｏｕｓ ｔｏ ｔｈｅ ｄｅｖｉｃｅｓ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｓｉｃ ｍｏｓ，ｗｈｉｃｈ ｉｓ ｕｎｉｑｕｅ，ｗｈｅｎ ｃｏｍｐａｒｅｄ ｗｉｔｈ ｏｔｈｅｒ ｃｏｍｐｏｕｎｄｓ ｓｕｃｈ ａｓ ｇａｎ ａｎｄ ａｌｎ，ｅｔｃ． ｎｏｗａｄａｙｓ ｔｈｅ ｓｔｕｄｉｅｓ ｏｆ ｓｉｃ ａｒｅ ｍａｉｎｌｙ ｆｏｃｕｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ ｇｒｏｗｔｈ ａｎｄ ｔｈｅ ｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｉｎ ｆｉｌｍｓ ｏｆ ４ｈｓｉｃ，６ｈｓｉｃ，３ｃｓｉｃ，ａｎｄ ｔｈｅ ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎ ｏｆ ｓｉｃ ｄｅｖｉｃｅｓ ｈａｖｅ ａｌｓｏ ｇａｉｎｅｄ ｍｕｃｈ ｃｏｎｃｅｒｎ ｉｎ ｒｅｃｅｎｔ ｙｅａｒｓ． ｉｎ ｔｈｉｓ ａｒｔｉｃｌｅ，ｔｈｅ ｐｒｏｇｒｅｓｓｅｓ ｏｆ ｓｉｃ ａｒｅ ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ，ａｎｄ ｔｈｅ ｅｘｉｓｔｉｎｇ ｐｒｏｂｌｅｍｓ ａｒｅ ａｐｐｒａｉｓｅｄ ａｎｄ ｃｏｍｍｅｎｔｅｄ． 2the basicproperties semiconductor properties width=276> |
2.2 poly types width=240>
3 the prearation crystal
ａ ｍａｊｏｒｉｔｙ ｏｆ ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ ｃｒｙｓｔａｌｓ ｃａｎ ｂｅ ｐｒｅｐａｒｅｄ ｉｎ ｔｈｅｉｒ ｍｅｌｔｅｄ ｓｔａｔｅ ｏｒ ｉｎ ｓｏｌｕｔｉｏｎ． ｂｕｔ ｓｉｃ ｃａｎｎｏｔ ｂｅ ｍｅｌｔｅｄ ｕｎｄｅｒ ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ，ａｎｄ ｉｔ ｃａｎｎｏｔ ｂｅ ｐｒｅｐａｒｅｄ ｉｎ ａｎｙ ｓｏｌｕｔｉｏｎｓ ｕｎｔｉｌ ｎｏｗ． ｔｈｅ ａｃｈｅｓｏｎ ｍｅｔｈｏｄ ｉｓ ｔｈｅ ｅａｒｌｉｅｓｔ ｍｅｔｈｏｄ ｔｏ ｆｏｒｍ ｓｉｃ ｃｒｙｓｔａｌ． ｉｎ ｔｈｅ ｙｅａｒ ｏｆ １９５５，ｌｅｌｙ ｕｓｅｄ ｔｈｅ ｓｕｂｌｉｍａｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ（ｗｉｔｈｏｕｔ ｓｅｅｄ ｃｒｙｓｔａｌ）ｔｏ ｆｏｒｍ ３ｃｓｉｃ ｗｉｔｈ ｐｉｎ ｓｈａｐｅ． ｆｒｏｍ ｔｈｅ ｌａｔｅ ７０ ｓ ｔｏ ｔｈｅ ｅａｒｌｙ ８０ ｓ ｏｆ ｌａｓｔ ｃｅｎｔｕｒｙ，ｔａｉｒｏｖ ａｎｄ ｔｓｖｅｔｋｏｖ ｉｍｐｒｏｖｅｄ ｔｈｅ ｌｅｌｙ ｍｅｔｈｏｄ，ａｎｄ ｒｅａｌｉｚｅｄ ｔｈｅ ｓｅｅｄｅｄ ｓｕｂｌｉｍａｔｉｏｎ ｏｆ ｓｉｃ．
3.1.1sic prepared by acheson method
ｆｏｒ ａ ｌｏｎｇ ｔｉｍｅ，ｔｈｅ ｇｒｏｗｔｈ ｏｆ ｓｉｃ ｂｕｌｋ ｃｒｙｓｔａｌ ｈａｄ ｂｅｅｎ ｔｈｅ ｂｏｔｔｌｅｎｅｃｋ ｏｆ ｔｈｅ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｓｉｃ ｉｎ ｔｈｅ ｆｉｅｌｄ ｏｆ ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ． ｉｎ ｔｈｅ ｅａｒｌｙ ｙｅａｒｓ，ｐｅｏｐｌｅ ｕｓｅｄ ｔｈｅ ａｃｈｅｓｏｎ ｍｅｔｈｏｄ ｔｏ ｆｏｒｍ ｓｉｃ（ｆｉｇ．３）． ｓｉｌｉｃａ ａｎｄ ｃａｒｂｏｎ ｗｅｒｅ ｍｉｘｅｄ ａｎｄ ｒｅａｃｔｅｄ ａｔ ｔｈｅ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ａｂｏｖｅ ２５００ ℃，ｓｏ ｓｏｍｅｏｎｅ ｓａｉｄ ｔｈａｔ，“ｓｉｌｉｃｏｎ ｃａｒｂｉｄｅ ｉｓ ｂｏｒｎ ｉｎ ｆｉｒｅ”． ｔｈｅ ｃａｒｂｏｒｕｎｄｕｍ（ｓｉｃ）ｆｏｒｍｅｄ ｂｙ ａｃｈｅｓｏｎ ｍｅｔｈｏｄ ｉｓ ｍａｉｎｌｙ ｕｓｅｄ ａｓ ｍａｔｅｒｉａｌｓ ｆｏｒ ａｂｒａｓｉｏｎ ａｎｄ ｃｕｔｔｉｎｇ，ｂｕｔ ｉｔ ｃａｎ ａｌｓｏ ｂｅ ｕｓｅｄ ａｓ ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ ｍａｔｅｒｉａｌ ｆｏｒ ｒａｔｈｅｒ ｌｏｗ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔ． ｄｕｅ ｔｏ ｓｕｃｈ ｄｉｓａｄｖａｎｔａｇｅｓ ａｓ ｈｉｇｈ ｇｒｏｗｔｈ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ａｎｄ ｐｏｏｒ ｃｒｙｓｔａｌ ｑｕａｌｉｔｙ，ｉｔ ｉｓ ｂｅｉｎｇ ｒｅｐｌａｃｅｄ ｂｙ ｓｕｂｓｅｑｕｅｎｔ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ ｓｕｃｈ ａｓ ｌｅｌｙ ｍｅｔｈｏｄ，ｍｏｄｉｆｉｅｄ ｌｅｌｙ ｍｅｔｈｏｄ ａｎｄ ｃｖｄ ｅｐｉｔａｘｙ ｍｅｔｈｏｄ．
3.1.2 sic prepared by the lely method and the modified lely method
ｔｈｅ ｃｒｙｓｔａｌ ｓｉｃ ｆｏｒｍｅｄ ｂｙ ｌｅｌｙ ｍｅｔｈｏｄ（ｆｉｇ．４）ｈａｓ ｇｒｅａｔｌｙ ｉｍｐｒｏｖｅｄ ｃｒｙｓｔａｌ ｑｕａｌｉｔｙ，ｂｕｔ ｉｔｓ ｇｒｏｗｔｈ ｒａｔｅ ｉｓ ｒａｔｈｅｒ ｌｏｗ，ａｎｄ ｔｈｅ ｔｙｐｅ ｏｆ ｔｈｅ ｃｒｙｓｔａｌ ｃａｎｎｏｔ ｂｅ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ． ｎｏｗａｄａｙｓ ｓｉｃ ｆｏｒｍｅｄ ｂｙ ｔｈｉｓ ｍｅｔｈｏｄ ｉｓ ｕｓｕａｌｌｙ ｕｓｅｄ ａｓ ｓｕｂｓｔｒａｔｅ ｔｏ ｏｂｔａｉｎ ｈｉｇｈ ｑｕａｌｉｔｙ ｅｐｉｔａｘｉａｌ ｃｒｙｓｔａｌ． ｆｒｏｍ ｔｈｅ ８０ ｓ ｏｆ ｌａｓｔ ｃｅｎｔｕｒｙ，ｔｈｅ ｓｕｂｌｉｍａｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ（ｍｏｄｉｆｉｅｄ ｌｅｌｙ ｍｅｔｈｏｄ（ｆｉｇ．５）），ｗｈｉｃｈ ｉｓ ａｌｓｏ ｃａｌｌｅｄ ｐｈｙｓｉｃａｌ ｖａｐｏｒ ｔｒａｎｓｐｏｒｔ ｍｅｔｈｏｄ（ｐｖｔ），ｈａｓ ｂｅｅｎ ｅｍｐｌｏｙｅｄ ｔｏ ｇｒｏｗ ｓｉｃ ｃｒｙｓｔａｌ，ａｎｄ ｉｔ ｈａｓ ｂｅｅｎ ｔｈｅ ｐｒｅｄｏｍｉｎａｎｔ ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ ｓｉｃ ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ． ｂｕｔ ｔｈｅ ｇｒｏｗｔｈ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｉｓ ｓｔｉｌｌ ｈｉｇｈ（ａｂｏｖｅ ２１００ ℃），ｌａｒｇｅ ａｍｏｕｎｔ ｏｆ ｍｉｃｒｏｐｉｐｅｓ ａｎｄ ｈｉｇｈ ｄｅｎｓｉｔｙ ｏｆ ｄｉｓｌｏｃａｔｉｏｎｓ ｅｘｉｓｔ ｉｎ ｔｈｅ ｃｒｙｓｔａｌ． ａｎｄ ｔｈｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｆ ｔｈｅ ｔｙｐｅ ｏｆ ｔｈｅ ｃｒｙｓｔａｌ ｉｓ ｄｉｆｆｉｃｕｌｔ． ｕｎｔｉｌ ｔｈｅ ９０ ｓ ｏｆ ｔｈｅ ｌａｓｔ ｃｅｎｔｕｒｙ，ｔｈｅ ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ ｈａｄ ｂｅｅｎ ｇｒｅａｔｌｙ ｉｍｐｒｏｖｅｄ，ａｎｄ ｔｈｅ ４ｈｓｉｃ ａｎｄ ６ｈｓｉｃ ｗａｆｅｒｓ ｗｉｔｈ ｌｏｗ ｄｅｎｓｉｔｙ ｏｆ ｍｉｃｒｏｐｉｐｅ ｄｅｆｅｃｔｓ（１０～１００ ｍｉｃｒｏｐｉｐｅｓ／ｃｍ２）ｈａｄ ｂｅｅｎ ｏｂｔａｉｎｅｄ． ｔｈｅ ｄｏｐｉｎｇ ｏｆ ｓｉｃ ｉｓ ｏｆｔｅｎ ｉｎ ｔｈｅ ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆ ｉｔｓ ｇｒｏｗｔｈ，ａｎｄ ｔｈｅ ｎｔｙｐｅ ｓｉｃ ｉｓ ｄｏｐｅｄ ｂｙ ｎｉｔｒｏｇｅｎ，ｗｈｉｌｅ ｔｈｅ ｐｔｙｐｅ ｉｓ ｄｏｐｅｄ ｂｙ ａｌｕｍｉｎｕｍ． ｔｈｅ ｄｏｐｉｎｇ ａｆｔｅｒ ｇｒｏｗｔｈ ｉｓ ｏｆｔｅｎ ｒｅａｌｉｚｅｄ ｂｙ ｔｈｅ ｉｏｎ ｉｍｐｌａｎｔａｔｉｏｎ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ａｎｄ ｔｈｅ ｃｏｍｍｏｎ ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ ｃａｎｎｏｔ ｇｅｔ ｈｉｇｈ ｄｏｐｉｎｇ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ． ｄｕｅ ｔｏ ｔｈｅ ｎｉｔｒｏｇｅｎ ｇａｓ ａｍｂｉｅｎｃｅ ｉｎ ｔｈｅ ｇｒｏｗｔｈ ｐｒｏｃｅｓｓ，ｔｈｅ ｕｎｉｎｔｅｎｔｉｏｎａｌｌｙ ｄｏｐｅｄ ｓｉｃ ｉｓ ｏｆ ｎ ｔｙｐｅ． ｎｏｗａｄａｙｓ ｔｈｅｒｅ ａｒｅ ｆｏｕｒ ｃｏｍｐａｎｉｅｓ ｗｈｏ ｃａｎ ｐｒｏｖｉｄｅ ｃｏｍｍｅｒｃｉａｌｉｚｅｄ ｓｉｃ ｗａｆｅｒｓ，ｔｈａｔ ｉｓ，ｃｒｅｅ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｉｎｃ．（ｕｓａ），ｎｉｐｐｏｎ ｓｔｅｅｌ（ｊａｐａｎ），ａｔ ｍｉ ｃｏｒｐ．（ｕｓａ），ｓｉｃｒｙｓｔａｌ ａｇ（ｇｅｒｍａｎｙ），ａｎｄ ｔｈｅ ｓｉｃ ｗａｆｅｒｓ ａｒｅ ｍｏｓｔｌｙ ｐｒｅｐａｒｅｄ ｂｙ ｔｈｅ ｓｕｂｌｉｍａｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ．
3.2 the growth width=243>