第三代半导体制造材料碳化硅性能优势突出

第三代半导体制造材料碳化硅性能优势突出

3C\4H\6H-SiC 结构图

第一代半导体材料主要是指硅（Si）、锗（Ge）为代表的元素半导体材料，应用极为普遍，包括集成电路、电子信息网络工程、电脑、手机等。其中，最典型的应用是集成电路，主要应用于低压、低频、低功率的晶体管和探测器中。硅基半导体材料是目前产量最大、应用最广的半导体材料，90%以上的半导体产品是用硅基材料制作的。但是硅材料的物理性质限制了其在光电子和高频电子器件上的应用，如其间接带隙的特点决定了它不能获得高的电光转换效率；且其带隙宽度较窄，饱和电子迁移率较低，不利于研制高频和高功率电子器件，硅基器件在600V以上高电压以及高功率场合就达到其性能的极限。

第二代半导体材料主要是以砷化镓（GaAs）、磷化铟（InP）为代表的化合物材料，目前手机所使用的关键通信芯片都采用类似材料制作。砷化镓材料的电子迁移率约是硅的6倍，具有直接带隙，故其器件相对硅基器件具有高频、高速的光电性能，因此被广泛应用于光电子和微电子领域，是制作半导体发光二极管和通信器件的关键衬底材料。由于第二代半导体材料的禁带宽度不够大，击穿电场较低，限制了其在高温、高频和高功率器件领域的应用。另外，由于砷化镓材料的毒性，可能引起环境污染问题，对人类健康存在潜在的威胁。

第三代半导体材料是指以碳化硅（SiC）、氮化镓（GaN）、氧化锌（ZnO）、金刚石、氮化铝（AlN）为代表的宽禁带半导体材料，多在通信、新能源汽车、高铁、卫星通信、航空航天等场景中应用，其中碳化硅、氮化镓的研究和发展较为成熟。与前两代半导体材料相比，第三代半导体材料禁带宽度大，具有击穿电场高、热导率高、电子饱和速率高、抗辐射能力强等优势，因此，采用第三代半导体材料制备的半导体器件不仅能在更高的温度下稳定运行，适用于高电压、高频率场景，此外，还能以较少的电能消耗，获得更高的运行能力。

碳化硅是由碳和硅组成的Ⅳ-Ⅳ族化合物半导体材料，具有多种同素异构类型，是世界上硬度排名第三的物质，在热、化学和机械方面都非常稳定。在物理性质上，SiC具有高硬度、高耐磨性、高导热率、高热稳定性以及散热性好的特点；在化学性质上，SiC表面易形成硅氧化物薄膜以防止其进一步氧化，但在高温下该氧化膜会迅速发生氧化反应。

碳化硅物理化学性质总结

碳化硅的典型结构可分为两类，一类是闪锌矿结构的立方碳化硅晶型，称为3C SiC或β-SiC，这里3指的是周期表性次序中面的数目；另一类是六角型或菱形结构的大周期结构其中典型的有6H-SiC、4H-SiC、15R-SiC等，统称为α-SiC。其中，4H-SiC和6H-SiC是两种半导体所需的材料，碳化硅与其他半导体材料具有相似的特性，4H-SiC的饱和电子速度是Si的两倍，从而为SiC元件提供了较高的电流密度和较高的电压，常被用来作为碳化硅功率器件。而6H-SiC和4H-SiC最大的差异在于4H-SiC的电子迁移率是6H-SiC的两倍，这是因为4H-SiC有较高的水平轴的移动率。在碳化硅晶体生长过程中需要精确控制硅碳比、生长温度梯度、晶体生长速率以及气流气压等参数，否则容易产生多晶型夹杂，导致产出的晶体不合格。