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如何控制碳化硅晶体的导电强弱?
2020年12月07日 发布 分类:粉体加工技术 点击量:465
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1891年,美国化学家艾奇逊在电熔金刚石时发现了碳化硅,1893年他公布了第一个工业制造碳化硅的专利。但直到1955年,飞利浦(荷兰)实验室的Lely才开发出生长高品质碳化硅晶体材料的方法。到了1987年,商业化生产的SiC衬底进入市场,进入21世纪后,SiC衬底的商业应用才算全面铺开。

碳化硅

在常温下,SiC是一种半导体,电阻率在10-21012Ω·m之间,随着温度升高而有所减少,也随晶杂质的种类和数量而变化。而在半导体领域中,不同情况下对SiC单晶的电气绝缘性能有着不同的要求,因此如何对这一点进行调控一直以来都是一个非常受关注的话题。

如何控制?

目前国际上基本上采用物理气相传输法(PVT)制备碳化硅单晶,这种方法中SiC粉料纯度对晶片质量影响很大。粉料中一般含有极微量的氮(N),硼(B)、铝(Al)、铁(Fe)等杂质,其中氮是n型掺杂剂,在碳化硅中产生游离的电子,硼、铝是p型掺杂剂,产生游离的空穴。

为了制备n型导电碳化硅晶片,在生长时需要通入氮气,让它产生的一部分电子中和掉硼、铝产生的空穴(即补偿),另外的游离电子使碳化硅表现为n型导电。为了制备高阻不导电的碳化硅(半绝缘型),在生长时需要加入钒(V)杂质,钒既可以产生电子,也可以产生空穴,让它产生的电子中和掉硼、铝产生的空穴(即补偿),它产生的空穴中和掉氮产生的电子,所以所生长的碳化硅几乎没有游离的电子、空穴,形成高阻不导电的晶片(半绝缘型,SI)。不过由于掺钒工艺复杂,所以半绝缘碳化硅很难制备,成本很高。另外,p型导电碳化硅也不容易制备,特别是低阻的p型碳化硅。

碳化硅

目前已出现了另一种碳化硅晶体生长方法,即采用高温化学气相沉积方法(HTCVD)。它是用气态的高纯碳源和硅源,在2200℃左右合成碳化硅分子,然后在籽晶上凝聚生长,生长速率一般为0.5~1mm/h左右,略高于PVT法,也有研究机构可做到2mm/h的生长速率。气态的高纯碳源和硅源比高纯SiC粉末更容易获得,成本更低。由于气态源几乎没有杂质,因此,如果生长时不加入n型掺杂剂或p型掺杂剂,生长出的4H-SiC就是高纯半绝缘(HPSI)半导体。HPSI与SI是有区别的,前者载流子浓度3.5×1013~8×1015/cm3范围,具有较高的电子迁移率;后者同时进行n、p补偿,是高阻材料,电阻率很高,一般用于微波器件衬底,不导电。如果要生长n型掺杂或p型掺杂的4H-Si C也非常好控制,只要分别通入氮或者硼的气态源就可以实现,而且通过控制通入的氮或者硼的流量,就可以控制碳化硅晶体的导电强弱。

碳化硅 

PVT法和HTCVD法生长碳化硅晶体原理图

应用上的差异

电阻率的差异,使不同碳化硅晶片的用途也各有不同,具体产业链可看下图:

碳化硅

图片来源:天科合达

其中,导电型碳化硅晶片可作为衬底材料,经过外延生长、器件制造、封装测试,制成碳化硅二极管、碳化硅 MOSFET 等功率器件,适用于高温、高压等工作环境,应用于新能源汽车、光伏发电、轨道交通、智能电网、航空航天等领域,市场规模较大;

半绝缘型碳化硅则可作为衬底材料,经过外延生长、器件制造、封装测试,制成HEMT等微波射频器件,适用于高频、高温等工作环境,主要应用于 5G通讯、卫星、雷达等领域,市场需求提升较为明显。

资料来源:

碳化硅半导体技术及产业发展现状,刘兴昉,陈宇。

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