幾種典型寬禁帶半導(dǎo)體材料的制備及發(fā)展現(xiàn)狀

楊 靜，楊洪星

（中國電子科技集團(tuán)公司第四十六研究所，天津300220）

幾種典型寬禁帶半導(dǎo)體材料的制備及發(fā)展現(xiàn)狀

楊 靜，楊洪星

（中國電子科技集團(tuán)公司第四十六研究所，天津300220）

闡述了SiC、GaN、AlN等幾種寬禁帶半導(dǎo)體材料的特性、突出優(yōu)勢及其重要應(yīng)用；并對比分析了目前制備這些半導(dǎo)體材料的主流方法及其各自存在的利與弊；最后討論了寬禁帶半導(dǎo)體材料的發(fā)展現(xiàn)狀及其存在的挑戰(zhàn)。

碳化硅；氮化鎵；寬禁帶半導(dǎo)體；器件

隨著半導(dǎo)體技術(shù)的不斷發(fā)展，傳統(tǒng)半導(dǎo)體材料如Si和GaAs受其自身固有性質(zhì)的限制已經(jīng)難以滿足各器件領(lǐng)域進(jìn)一步深入應(yīng)用的需要。在電子材料向大尺寸、多功能化及集成化發(fā)展的大趨勢下，第三代寬禁帶半導(dǎo)體材料如SiC、GaN、AlN、金剛石、ZnSe等由于具有更高的擊穿電場、熱導(dǎo)率、電子遷移率、電子飽和漂移速度等優(yōu)勢（見表1［1］）在高溫、高頻、抗輻射、短波長發(fā)光等領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力［2-4］。

在光電領(lǐng)域，SiC材料倍受青睞；在微波器件領(lǐng)域，器件已由硅雙極型晶體管、場效應(yīng)管、LDMOS管向以SiC、GaN為代表的寬禁帶功率管過

表1　傳統(tǒng)與三代寬禁帶半導(dǎo)體材料的物理特性參數(shù)對比

圖1　半導(dǎo)體材料在多個領(lǐng)域的應(yīng)用

1　第三代寬禁帶半導(dǎo)體材料的主流制備方法及存在的主要問題

傳統(tǒng)半導(dǎo)體材料Si、GaAs的制備包括CZ、FZ、LEC、HB、VB、VCZ等方法，第三代半導(dǎo)體材料的生長條件比較苛刻，上述傳統(tǒng)方法較難制備出理想單晶。為此，科研工作者付出大量努力，在此重點(diǎn)介紹目前研究及應(yīng)用比較多的SiC、GaN、AlN的生長及制備過程。

SiC是目前研究的寬禁帶半導(dǎo)體材料中較為成熟的一種，但其仍沒有得到廣泛的應(yīng)用，主要原因則是受其制備技術(shù)的限制。已制備的SiC大都存在尺寸小、缺陷多等問題難以達(dá)到器件的使用要求。就SiC的制備而言，最開始是采用升華法進(jìn)行制備；接著研究較多的是通過外延法來獲得SiC，此時所用到的外延生長方法主要有液相外延法、化學(xué)氣相外延法、分子束外延等。由于SiC制備要求條件比較嚴(yán)格，因而對材料科學(xué)工作者而言制備出高質(zhì)量的SiC仍是一個比較大的挑戰(zhàn)。目前商業(yè)化用SiC幾乎都是用物理氣相傳輸法（PVT）制備的，這種方法亦被稱為改良的Lely法［3］，圖2為其生長示意圖。

該方法的基本原理是將粉末狀的SiC加熱到高溫狀態(tài)一般為2 000℃以上，高溫升華后氣相成分在濃度梯度的作用下進(jìn)行物質(zhì)傳輸，最后在溫度較低的碳化硅籽晶表面重結(jié)晶，促使晶體長大。此種方法雖研究較多，但也存在一定不足之處：一方面，其生長速度較慢；另一方面，對生長環(huán)境及原材料要求比較高，例如氣體流場分布、SiC粉源顆粒的純度及大小等。此外，由于此種生長方法是在高溫下制備的，因此溫度的合理控制在晶體生長過程中也極為關(guān)鍵［5］。溫度控制不當(dāng)直接導(dǎo)致大量缺陷的產(chǎn)生，因此在晶體生長過程中對其溫度進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測尤為重要，但實(shí)際情況是苛刻的生長條件給工藝參數(shù)的實(shí)時監(jiān)控造成困難。除PVT外，其它方法諸如外延、溶劑激光加熱浮區(qū)生長技術(shù)等也是制備SiC的方法。

圖2　PVT法生長SiC晶體示意圖

另一種應(yīng)用頻率較高的寬禁帶半導(dǎo)體材料為GaN，其在光電子與微電子器件制造領(lǐng)域展現(xiàn)出獨(dú)特的優(yōu)勢。大量的科研工作者對GaN體單晶的制備進(jìn)行了積極地探索，但結(jié)果卻不盡如人意，主要原因有兩方面，一是GaN的熔點(diǎn)很高，另一方面是其飽和蒸氣壓很高?，F(xiàn)在報道較多的GaN單晶多為薄膜狀，且制備方法各異。氫化物氣相外延技術(shù)［6］（HVPE）是使用最早的制備GaN單晶薄膜的技術(shù)，該技術(shù)主要是通過HCl氣體與高溫金屬Ga反應(yīng)生成的GaCl3在襯底上與NH3反應(yīng)制得GaN，其制備裝置示意圖如圖3所示。此種方法的優(yōu)點(diǎn)是生長速度快并且所得GaN薄膜位錯密度很低；不足之處表現(xiàn)為高溫反應(yīng)的固有缺陷，反應(yīng)設(shè)備容易受到原料的腐蝕，難以精確控制薄膜的生長。另一種較有效也是目前應(yīng)用最多的是金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積技術(shù)（MOCVD）［7］。該方法主要是用氫氣將金屬有機(jī)化合物和氣態(tài)非金屬氫化物經(jīng)過開關(guān)網(wǎng)絡(luò)送入反應(yīng)室加熱的襯底上，通過熱分解反應(yīng)而生長出外延層的技術(shù)。該方法的主要不足之處是原料有毒易造成污染，高溫生長亦會導(dǎo)致材料純度的降低。此外，分子束外延（MBE）、金屬有機(jī)物氣相外延（MOVPE）、氨熱法［8］等也是制備GaN薄膜的有效方法。

圖3　HVPE法制備GaN裝置示意圖

氮化鋁（AlN）也是一種新型的寬禁帶半導(dǎo)體材料，除可用于高溫、高頻、大功率電子器件外，還可以用于制作紫外、深紫外發(fā)光與探測器件。目前對AlN的研究相對較少，主要問題是受其制備的限制。類似于SiC，物理氣相傳輸（PVT）是目前制備AlN晶體常用的方法［9］。AlN物料在高溫分解升華后在低溫區(qū)結(jié)晶形成AlN晶體。該方法的不足之處是在1 800℃的高溫下AlN才會升華，而重結(jié)晶時對襯底的表面狀態(tài)要求又極高，所以襯底材料很大程度上限制了AlN晶體的制備。

2　第三代寬禁帶半導(dǎo)體材料的發(fā)展現(xiàn)狀及存在的挑戰(zhàn)

基于三代寬禁帶半導(dǎo)體材料所具有的獨(dú)特優(yōu)勢及其在多個領(lǐng)域展現(xiàn)出的巨大應(yīng)用潛力，許多發(fā)達(dá)國家如日、美等已經(jīng)投入大量人力、物力及財力對其展開深入研究并取得明顯成果。美國Cree公司掌握世界上最先進(jìn)的SiC制備工藝、AIMI公司成功研制出用于軍用雷達(dá)及商用寬帶通信領(lǐng)域GaN分立器件。在GaN研究方面，美國政府投資750萬美元給Kyma公司資助其研究50 mm（2英寸）及100 mm（4英寸）GaN體單晶的生長工藝。與美國相比，日本在GaN的研究方面較具優(yōu)勢，其研究集中在光電子和高頻電子器件方面；在SiC方面，日本也不甘落后正在加緊步伐研究，許多公司如東芝、松下等正在積極開發(fā)功率SiC器件。此外，歐洲的一些國家如德國的西門子、法國的湯姆遜、瑞典的愛立信等也在積極的展開對SiC的研究。相比之下，國內(nèi)對SiC的研究起步較晚，制備的SiC尺寸較小且微管密度及位錯密度較國外大，而對GaN的研究無論在材料還是在器件應(yīng)用方面國內(nèi)均取得了一些初步成果。目前國內(nèi)對于AlN的研究相對較少，美國的Crystal IS公司的PVT法制備AlN技術(shù)相對成熟，其它國家也正在加緊對AlN的深入研究。

半導(dǎo)體材料是制作晶體管、集成電路、電力電子器件、光電子器件的重要基礎(chǔ)材料，其研究及應(yīng)用已成為衡量一個國家經(jīng)濟(jì)發(fā)展、科技進(jìn)步和國防實(shí)力的重要標(biāo)志。隨著半導(dǎo)體器件由同質(zhì)結(jié)、異質(zhì)結(jié)占據(jù)主導(dǎo)地位的局面逐漸轉(zhuǎn)向基于量子阱、量子線、量子點(diǎn)器件的設(shè)計與制造，半導(dǎo)體材料的發(fā)展方向也將發(fā)生變化，呈現(xiàn)傳統(tǒng)一、二代半導(dǎo)體材料發(fā)展的同時，加速發(fā)展寬禁帶三代半導(dǎo)體材料的趨勢?？偠灾?，三代寬禁帶半導(dǎo)體材料的出現(xiàn)有效彌補(bǔ)了傳統(tǒng)一、二代半導(dǎo)體材料在高溫、高頻等領(lǐng)域的不足，能夠較好適應(yīng)半導(dǎo)體技術(shù)飛速發(fā)展的需要。但受時間的限制，到目前為止，三代半導(dǎo)體材料還難以完全取代前兩代半導(dǎo)體材料，主要原因如下：首先，在單晶制備方面，與傳統(tǒng)半導(dǎo)體材料Si相比，三代半導(dǎo)體單晶制備要求條件較為苛刻、制備難度高；其次，第三代半導(dǎo)體材料中Ⅲ族氮化物具有纖鋅礦結(jié)構(gòu)，其內(nèi)部往往存在著強(qiáng)大的自發(fā)極化及壓電極化場；再次，Ⅲ族氮化物多有較大的光折射率，產(chǎn)生的光在界面處易發(fā)生全反射，難以反射到空氣中?？傊?，第三代半導(dǎo)體材料自身存在獨(dú)特的優(yōu)越性但其得到廣泛應(yīng)用又存在復(fù)雜性，因而對其進(jìn)行深入研究及應(yīng)用對材料工作者而言既是機(jī)遇又是挑戰(zhàn)。

［1］ 王莉，朱萍.新型寬帶SiC功率器件在電力電子中的應(yīng)用［J］.南京航空航天大學(xué)學(xué)報，2014，46（4）：524-532.

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［4］ L.Jiang，S.Zuo，W.Wang，et al.Role of Ni in the controlled growth of single crystal AlN triangular microfibers：Morphology evolvement，growth kinetics and photoluminescence［J］.Journal of Crystal Growth，2011，318（1）：1089-1094.

［5］ K.Kang，T.Eun，M.Jun，et al.Governing factors for the formation of 4H or 6H-SiC polytype during SiC crystal growth：An atomistic computational approach［J］. Journal of Crystal Growth，2014，389（2）：120-133.

［6］ M.Imanishi，Y.Todoroki，K.Murakami，et al.Dramatic reduction of dislocations on a GaN point seed crystal by coalescence of bunched steps during Na-flux growth ［J］.Journal of Crystal Growth，2015，427（9）：87-93.

［7］ J.Cui，H.Xiao，J.Liu，et al.Morphology and growth mechanism of gallium nitride nanotowers synthesized by metal-organic chemical vapor deposition［J］.Journal of Alloys and Compounds，2013，563（24）：72-76.

［8］ S.Pimputkar，S.Kawabata，J.S.Speck，et al.Improved growth rates and purity of basic ammonothermal GaN ［J］.Journal of Crystal Growth，2014，403（403）：7-17.

［9］ C.Guguschev，A.Dittmar，E.Moukhina，et al.Growth of bulk AlN single crystals with low oxygen content taking into account thermal and kinetic effects of oxygen-related gaseous species［J］.Journal of Crystal Growth，2012，360（1）：185-188.

Preparation and Developing Status of Several Wide Band-gap Semiconductor Materials

YANG Jing，YANG Hongxing

（The 46th Research Instituted of CETC，Tianjin 300220，China）

In this paper，the outstanding characteristic，advantage and application of several wide band-gap semiconductor materials such as SiC，GaN and AlN were described firstly.Then the preparation methods adopted by most of the manufacturers and their advantages and disadvantages were analyzed.At last，the development status and challenges of SiC，GaN and AlN were respectively discussed.

Silicon carbide；Gallium nitride；Wide band-gap semiconductor；Device

TN304.05

A

1004-4507（2016）08-0020-04

2016-06-02渡；在電力電子應(yīng)用領(lǐng)域，SiC與GaN功率器件亦展現(xiàn)出比常規(guī)功率半導(dǎo)體器件更突出優(yōu)越的性能。圖1展示了第三代寬禁帶半導(dǎo)體材料在光電、集成電路等領(lǐng)域的應(yīng)用。鑒于三代半導(dǎo)體材料的巨大潛在應(yīng)用價值，對其性能及制備的研究意義重大。