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如何控制碳化硅晶體的導電強弱?
2020年12月07日 發布 分類:粉體加工技術 點擊量:205
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1891年,美國化學家艾奇遜在電熔金剛石時發現了碳化硅,1893年他公布了第一個工業制造碳化硅的專利。但直到1955年,飛利浦(荷蘭)實驗室的Lely才開發出生長高品質碳化硅晶體材料的方法。到了1987年,商業化生產的SiC襯底進入市場,進入21世紀后,SiC襯底的商業應用才算全面鋪開。

碳化硅

在常溫下,SiC是一種半導體,電阻率在10-21012Ω·m之間,隨著溫度升高而有所減少,也隨晶雜質的種類和數量而變化。而在半導體領域中,不同情況下對SiC單晶的電氣絕緣性能有著不同的要求,因此如何對這一點進行調控一直以來都是一個非常受關注的話題。

如何控制?

目前國際上基本上采用物理氣相傳輸法(PVT)制備碳化硅單晶,這種方法中SiC粉料純度對晶片質量影響很大。粉料中一般含有極微量的氮(N),硼(B)、鋁(Al)、鐵(Fe)等雜質,其中氮是n型摻雜劑,在碳化硅中產生游離的電子,硼、鋁是p型摻雜劑,產生游離的空穴。

為了制備n型導電碳化硅晶片,在生長時需要通入氮氣,讓它產生的一部分電子中和掉硼、鋁產生的空穴(即補償),另外的游離電子使碳化硅表現為n型導電。為了制備高阻不導電的碳化硅(半絕緣型),在生長時需要加入釩(V)雜質,釩既可以產生電子,也可以產生空穴,讓它產生的電子中和掉硼、鋁產生的空穴(即補償),它產生的空穴中和掉氮產生的電子,所以所生長的碳化硅幾乎沒有游離的電子、空穴,形成高阻不導電的晶片(半絕緣型,SI)。不過由于摻釩工藝復雜,所以半絕緣碳化硅很難制備,成本很高。另外,p型導電碳化硅也不容易制備,特別是低阻的p型碳化硅。

碳化硅

目前已出現了另一種碳化硅晶體生長方法,即采用高溫化學氣相沉積方法(HTCVD)。它是用氣態的高純碳源和硅源,在2200℃左右合成碳化硅分子,然后在籽晶上凝聚生長,生長速率一般為0.5~1mm/h左右,略高于PVT法,也有研究機構可做到2mm/h的生長速率。氣態的高純碳源和硅源比高純SiC粉末更容易獲得,成本更低。由于氣態源幾乎沒有雜質,因此,如果生長時不加入n型摻雜劑或p型摻雜劑,生長出的4H-SiC就是高純半絕緣(HPSI)半導體。HPSI與SI是有區別的,前者載流子濃度3.5×1013~8×1015/cm3范圍,具有較高的電子遷移率;后者同時進行n、p補償,是高阻材料,電阻率很高,一般用于微波器件襯底,不導電。如果要生長n型摻雜或p型摻雜的4H-Si C也非常好控制,只要分別通入氮或者硼的氣態源就可以實現,而且通過控制通入的氮或者硼的流量,就可以控制碳化硅晶體的導電強弱。

碳化硅 

PVT法和HTCVD法生長碳化硅晶體原理圖

應用上的差異

電阻率的差異,使不同碳化硅晶片的用途也各有不同,具體產業鏈可看下圖:

碳化硅

圖片來源:天科合達

其中,導電型碳化硅晶片可作為襯底材料,經過外延生長、器件制造、封裝測試,制成碳化硅二極管、碳化硅 MOSFET 等功率器件,適用于高溫、高壓等工作環境,應用于新能源汽車、光伏發電、軌道交通、智能電網、航空航天等領域,市場規模較大;

半絕緣型碳化硅則可作為襯底材料,經過外延生長、器件制造、封裝測試,制成HEMT等微波射頻器件,適用于高頻、高溫等工作環境,主要應用于 5G通訊、衛星、雷達等領域,市場需求提升較為明顯。

資料來源:

碳化硅半導體技術及產業發展現狀,劉興昉,陳宇。

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