寬禁帶半導(dǎo)體材料與工藝

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1、..寬禁帶半導(dǎo)體材料與工藝1.1寬禁帶半導(dǎo)體的概念和發(fā)展寬禁帶半導(dǎo)體（WBS）是自第一代元素半導(dǎo)體材料（Si）和第二代化合物半導(dǎo)體材料（GaAs、GaP、InP等）之后發(fā)展起來的第三代半導(dǎo)體材料。這類材料主要包括SiC（碳化硅）、C-BN（立方氮化硼）、GaN（氮化鎵、）AlN（氮化鋁）、ZnSe（硒化鋅）以及金剛石等。第二代半導(dǎo)體GaAs與Si相比除了禁帶寬度增大外，其電子遷移率與電子飽和速度分別是Si的6倍和2倍，因此其器件更適合高頻工作。GaAs場效應(yīng)管器件還具有噪聲低、效率高和線性度好的特點(diǎn)但相比第三代半導(dǎo)體GaN

2、和SiC，它的熱導(dǎo)率和擊穿電場都不高，因此它的功率特性方面的表現(xiàn)不足。為了滿足無線通信、雷達(dá)等應(yīng)用對(duì)高頻率、寬禁帶、高效率、大功率器件的需要從二十世紀(jì)九十年代初開始，化合物半導(dǎo)體電子器件的研究重心開始轉(zhuǎn)向?qū)捊麕О雽?dǎo)體。我們一般把禁帶寬度大于2eV的半導(dǎo)體稱為寬禁帶半導(dǎo)體。寬禁帶半導(dǎo)體材料具有寬帶隙、高臨界擊穿電場、高熱導(dǎo)率、高載流子飽和漂移速度等特點(diǎn)，在高溫、高頻、大功率、光電子及抗輻射等方面具有巨大的應(yīng)用潛力。1.2主要的寬禁帶半導(dǎo)體材料近年來，發(fā)展較好的寬禁帶半導(dǎo)體材料主要是SiC和GaN，其中SiC的發(fā)展更早一些，碳

3、化硅、氮化鎵、硅以及砷化鎵的一些參數(shù)如下圖所示：圖1-1半導(dǎo)體材料的重要參數(shù)word教育資料..如上圖所示，SiC和GaN的禁帶寬度遠(yuǎn)大于Si和GaAs，相應(yīng)的本征載流子濃度小于硅和砷化鎵，寬禁帶半導(dǎo)體的最高工作溫度要高于第一、第二代半導(dǎo)體材料。擊穿場強(qiáng)和飽和熱導(dǎo)率也遠(yuǎn)大于硅和砷化鎵。2.1SiC材料純碳化硅是無色透明的晶體。工業(yè)碳化硅因所含雜質(zhì)的種類和含量不同，而呈淺黃、綠、藍(lán)乃至黑色，透明度隨其純度不同而異。碳化硅晶體結(jié)構(gòu)分為六方或菱面體的?α-SiC和立方體的β-SiC（稱立方碳化硅)。α-SiC由于其晶體結(jié)構(gòu)中碳和

4、硅原子的堆垛序列不同而構(gòu)成許多不同變體，已發(fā)現(xiàn)70余種。β-SiC于2100℃以上時(shí)轉(zhuǎn)變?yōu)棣?SiC。SiC是IV-IV族二元化合物半導(dǎo)體，也是周期表IV族元素中唯一的一種固態(tài)化合物。構(gòu)成元素是Si和C，每種原子被四個(gè)異種原子所包圍,形成四面體單元(圖25a)。原子間通過定向的強(qiáng)四面體SP3鍵(圖25b)結(jié)合在一起，并有一定程度的極化。SiC具有很強(qiáng)的離子共價(jià)鍵，離子性對(duì)鍵合的貢獻(xiàn)約占12%,決定了它是一種結(jié)合穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。SiC具有很高的德拜溫度，達(dá)到1200-1430?K,決定了該材料對(duì)于各種外界作用的穩(wěn)定性，在力學(xué)、化

5、學(xué)方面有優(yōu)越的技術(shù)特性。它的多型結(jié)構(gòu)如圖所示：圖2-1碳化硅的多型結(jié)構(gòu)碳化硅由于化學(xué)性能穩(wěn)定、導(dǎo)熱系數(shù)高、熱膨脹系數(shù)小、耐磨性能好，除作磨料用外，還有很多其他用途，例如：以特殊工藝把碳化硅粉末涂布于水輪機(jī)葉輪或汽缸體的內(nèi)壁，可提高其耐磨性而延長使用壽命1～2倍；用以制成的高級(jí)耐火材料，耐熱震、體積小、重量輕而強(qiáng)度高，節(jié)能效果好。低品級(jí)碳化硅（含SiC約85%）是極好的脫氧劑，用它可加快煉鋼速度，并便于控制化學(xué)成分，提word教育資料..高鋼的質(zhì)量。此外，碳化硅還大量用于制作電熱元件硅碳棒。?碳化硅的硬度很大,莫氏硬度為9.

6、5級(jí)，僅次于世界上最硬的金剛石（10級(jí)），具有優(yōu)良的導(dǎo)熱性能，是一種半導(dǎo)體，高溫時(shí)能抗氧化。2.2GaN材料GaN是一種極穩(wěn)定，堅(jiān)硬的高熔點(diǎn)材料，熔點(diǎn)約為1700℃。GaN具有高的電離度，在Ⅲ—Ⅴ族化合物中是最高的（0.5或0.43）。在大氣壓下，GaN晶體一般是六方纖鋅礦結(jié)構(gòu)。它在一個(gè)晶胞中有4個(gè)原子。因?yàn)槠溆捕雀?，又可以作為良好的涂層保護(hù)材料。在室溫下，GaN不溶于水、酸和堿，而在熱的堿溶液中溶解速度又非常緩慢。但是NaOH、H2SO4和H3PO4能較快地腐蝕質(zhì)量差的GaN，這種方法可以用來檢測(cè)質(zhì)量不高的GaN晶體。G

7、aN在HCL或H2氣氛高溫下呈現(xiàn)不穩(wěn)定特性，而在N2氣下最為穩(wěn)定。GaN基材料是直接躍遷型半導(dǎo)體材料,具有優(yōu)良的光學(xué)性能,可作出高效率的發(fā)光器件,GaN基LED的發(fā)光波長范圍可從紫外到綠色光Ⅲ族氮化物主要包括GaN、ALN、InN、ALInN、GaInN、ALInN和ALGaInN等，其禁帶寬度覆蓋了紅、黃、綠、藍(lán)、紫和紫外光譜范圍。GaN是Ⅲ族氮化物中的基本材料，也是目前研究最多的Ⅲ族氮化物材料。GaN的電學(xué)性質(zhì)是決定器件性能的主要因素。目前GaN的電子室溫遷移率可以達(dá)到900cm2/（V*s）。GaN材料所具有的禁帶寬

8、度大、擊穿電場高、電子飽和速度高是制作高溫、大功率器件的最佳材料。氮化物半導(dǎo)體材料存在六方纖鋅礦和立方閃鋅礦兩種不同的晶體結(jié)構(gòu)，如氮化鎵的結(jié)構(gòu)下圖所示：圖2-2氮化鎵的結(jié)構(gòu)word教育資料..晶體結(jié)構(gòu)的形成主要由晶體的離子性決定，氮化物的離子性強(qiáng)，所以纖鋅礦是氮化鎵的常見結(jié)構(gòu)，閃鋅礦結(jié)構(gòu)是亞穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)。G