SiC單晶材料
關注創建者：匿名 創建時間：2021-11-08
SiC單晶材料的實例教程
傳統的半導體材料如以硅、ＧａＡｓ等在微電子、光電子等領域應用廣闊，然而隨著技術的不斷進步，受材料性能所限，這些傳統半導體制成的電子器件，很難滿足于現代電子技術對于高溫、高頻、高壓等工作條件下的新要求，而以 ＳｉＣ 為代表的新型半導體材料，所具有的禁帶寬度大、熱導率高、臨界擊穿電場高等特點，在高頻大功率器件、高功率密度、高集成度器件及小型化半導體器件等領域備受青睞［１］。
１ SiC晶體的結構及性能
碳化硅材料是由Ｓｉ和 Ｃ兩種元素，按照相同的化學計量比結合而成，其基本結構單元為Ｓｉ－Ｃ四面體，并以堆垛的方式結合在一起，每層密排結構中每個原子都與四個異種原子以ｓｐ３雜化結合在一起，結構相對穩定，但層與層之間的鍵能較弱，堆疊位置各異，這也導致ＳｉＣ 晶體具有較多的同質多形體。
目前已被發現的有２５０多種異晶型，其晶型結構可分為立方（Ｃ）、六方（Ｈ）、菱方（Ｒ）三種基本結構，且均可轉化為六方結構進行描述，如圖１所示，將每層Ｓｉ－Ｃ單元以六方密排的形式堆積，可以看出密排面上的原子層存在著三種不同的堆疊位置，即 Ａ、Ｂ、Ｃ。按照全同粒子的密堆積原則，相鄰密排原子層必須以原子間隙對準，即在參考原子層上下相鄰的兩個層面有且只有兩種對準方式，假設 Ａ 原子層為第一層結構，則第二層結構則為 Ｂ、Ｃ中的一種，第三層則為異于第二層排列中的一種，如此往復，按照一定的周期進行排列，得到具有不同結構的碳化硅單晶。
表１為幾種常見的碳化硅單晶結構及性能指標。
展開 襯底表面加工質量的好壞直接決定了外延材料的表面缺陷密度，而大尺寸 SiC襯底的研磨和拋光工藝仍不能滿足要求，需要進一步開發研磨、拋光工藝參數，降低晶圓表面粗糙度。
p 型襯底技術的研發較為滯后。目前商業化的 SiC 產品是單極型器件。未來高壓雙極型器件需要 p 型襯底。目前 SiC p 型單晶襯底缺陷較高、電阻率較高，其基礎科學問題尚未得到突破，技術開發滯后。近年來，中國 SiC單晶材料領域取得了長足進步，但與國際水平相比仍存在一定的差距。除了以上共性問題以外，中國 SiC 單晶材料領域在以下 2個方面存在巨大的風險：一是 SiC單晶企業無法為國內已經/即將投產的 6英寸芯片工藝線提供高質量的 6 英寸單晶襯底材料；二是 SiC 材料的檢測設備完全被國外公司所壟斷。
2）n 型 SiC 外延生長技術有待進一步提高
。目前外延材料生長過程中氣流和溫度控制等技術仍不完美，在 6 英寸 SiC 單晶襯底上生長高均勻性的外延材料技術仍有一定挑戰，一定程度影響了中低壓 SiC 芯片良率的提高。p 型 SiC 外延技術仍不成熟。高壓 SiC 功率器件是雙極型器件，對 p 型重摻雜外延材料提出了要求，目前尚無滿足需求的低缺陷、重摻雜的p型SiC外延材料。
近年來中國 SiC 外延材料技術獲得了長足進展，申請了一系列的專利，正在縮小與其他國家的差距，已經開始批量采用本土 4 英寸單晶襯底材料，產品已經打入國際市場。但是，目前國內 SiC外延材料產品以4英寸為主，由于受單晶襯底材料的局限，尚無法批量供貨 6 英寸產品。并且 SiC 外延材料加工設備全部進口，將制約中國獨立自主產業的發展壯大。
展開 【引言】
近年來，具有可調性能的MOFs材料的快速發展吸引了各個領域的研究興趣，其中包括鐵電，氣體吸附，發光，磁性和催化等。特別是經歷單晶到單晶轉換(SC?SC)的MOFs材料能為研究化合物的構效關系提供精確結構平臺。其中，溶劑輔助配體交換作為一種SC-SC轉換方法，被認為是設計和合成不同孔道尺寸的MOFs材料最有效和可行的策略之一。然而結構轉變后單晶數據的缺失和較差的水穩定性限制了相關MOFs材料的應用前景。因此，開發水穩定的MOFs材料勢在必行，這不僅可以研究配體交換的機理，也可以為功能化材料的設計提供更好的思路。
【成果簡介】
近日，鄭州大學侯紅衛教授課題組采用單晶到單晶的配體交換方法實現了對MOF材料的磁學行為和去除重金屬離子（Hg2+）性能的高效調節，以標題“Modulation of Magnetic Behavior andHg2+ Removal by SolventAssisted Linker Exchange Based on a Water-Stable 3D MOF”在Chem. Mater.上發表，論文第一作者為鄭州大學化學與分子工程學院博士研究生邵志超，通訊作者為鄭州大學侯紅衛教授。該團隊一直致力于研究MOFs材料中單晶到單晶轉變以及重金屬離子去除方面的探索，相關成果發表在J. Am. Chem. Soc., 2008,130,15222-15223，Chem. Sci.,2017,8,7611-7619，Chem. Commun., 2017,53, 10314-10317，Chem. Commun., 2011,47, 5271-5273等等。
本篇Chem.
展開 最近，國產SiC襯底又有新進展——同光晶體成功制備了無微管缺陷的6英寸SiC單晶，“更適合制作高壓、特高壓功率器件”。
據介紹，同光晶體采用了
改進型PVT生長設計方案
，其
6英寸SiC晶片無任何的應力斑出現，晶格基平面彎曲較小，其(004)衍射指數的平均半峰寬低至19弧秒，電阻率分布均勻
。
該成果刊登在《硅酸鹽學報》2021年4月刊，投稿時間為2020年7月。
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創新生長工藝
解決微管缺陷難題
業界經過近30年的努力，已經可以成熟制備無微管缺陷的2-4英寸4H-SiC單晶材料，
但6英寸4H-SiC單晶還存在一定的難度。
同光晶體認為，制備無微管缺陷的6英寸SiC單晶，應當避免多型的產生，而他們的方法是對物理氣相傳輸(PVT)法進行改良。
據介紹，在常規生長裝配條件下，生長組分流的方向部分與生長臺階流方向同向，部分與臺階流方向相向。而同光晶體的改進方案采用了引流裝配或非對稱溫場設計，在生長過程中，生長組分流的方向幾乎都與臺階流的方向相向。
圖1：兩種PVT法示意圖
這種改進工藝有著獨特的優點
——單晶生長表面的組分原子能夠很快達到生長臺階的扭折位，保證了原子臺階的有序推進，從而完整地復制了單晶的晶型結構。
另外，臺階的有序推進不會產生臺階的聚并現象，就不會產生寬大的臺階，從而避免了由于寬臺階產生的二維多型成核現象。因此，改進工藝極大地提高了6英寸n型SiC單晶晶型的穩定性。
展開 l 納米SiC纖維
納米碳化硅(SiC)纖維是一種具有高度取向的單晶纖維，如圖1所示。晶體結構與金剛石相類似，晶內成分均一，化學雜質少，無晶粒邊界且缺陷少。因此具有良好的電化學穩定性、高熔點、高比強度、高彈性模量、低熱膨脹系數，優異的力學性能和高溫抗氧化能力，可作為高溫復合材料的補強增韌體。SiC晶須是一種性能優異的納米增強體，將其引入到纖維布層間和纖維束間的脆性基體中，可有效增加裂紋擴展距離，改善微區基體的脆性，提高微區基體的韌性，從而進一步提高陶瓷基復合材料的力學性能。
圖1 納米SiC纖維
當前，納米碳化硅纖維的制備方法有CVD法、碳熱還原法、熱蒸發法、模板法等。其中大部分報道都是在添加金屬催化劑的情況下，SiC納米線的形核與生長遵循 VLS（vapor-liquid-solid，VLS）或SLS（solution-liquid-solid，SLS）生長機制。一般采用Ni、Au、La、Fe等金屬作為催化劑。此外還有報道中，基于氣-固（vapor-solid，VS）機理制備納米SiC纖維。
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日本在單晶葉片材料的研究方面擁有較為先進的技術。單晶葉片材料是用于航空發動機和渦輪機等高溫、高壓條件下工作的關鍵部件。在單晶葉片材料的研究中，通常涉及以下方面：
1) 材料合成與制備：研究人員會根據需要的性能指標，通過特殊的生長工藝制備單晶葉片材料，以確保其具有良好的高溫、高壓性能。
2) 結構與形態研究：對單晶葉片材料的晶體結構和晶界形態進行研究，以了解其在高溫環境下的力學性能和熱穩定性
而基于碳化硅（ SiC ）單晶材料的功率器件，具有高頻率、高效率、小體積等優點（比 IGBT 功率器件小70%- 80% ），已經在特斯拉 Model 3 車型中得到了應用。
SiC單晶材料功率器件的優勢
根據 ST 意法半導體資料， SiC器件相比硅基的 IGBT 能夠有更小的體積。
其中，在21項重大技術攻關類項目中，包含2個碳化硅項目，分別是大尺寸4H-SiC單晶襯底材料制備產業化技術研發和8英寸碳化硅單晶生長設備研發，以滿足山西省企業的生產需求。
而基于碳化硅（ SiC ）單晶材料的功率器件，具有高頻率、高效率、小體積等優點（比 IGBT 功率器件小70%- 80% ），已經在特斯拉 Model 3 車型中得到了應用。
而基于碳化硅（ SiC ）單晶材料的功率器件，具有高頻率、高效率、小體積等優點（比 IGBT 功率器件小70%- 80% ），已經在特斯拉 Model 3 車型中得到了應用。
SiC單晶材料功率器件的優勢
根據 ST 意法半導體資料， SiC器件相比硅基的 IGBT 能夠有更小的體積。
作為第二代半導體材料，砷化鎵（GaAs）單晶因其價格昂貴而素有“半導體貴族”之稱，它是繼硅之后研究最深入、應用最廣泛的半導體材料。由于砷化鎵禁帶寬度寬、電子遷移率高、直接帶躍遷，因而不僅可直接研制光電子器件，且在微電子方面，以半絕緣砷化鎵為基體，用直接離子注入自對準平面工藝研制的砷化鎵高速數字電路、微波單片電路
SiC單晶材料主要有導通型襯底和半絕緣襯底兩種。高質量、大尺寸的 SiC 單晶材料是 SiC 技術發展首要解決的問題，持續增大晶圓尺寸、降低缺陷密度（微管、位錯、層錯等）是其重點發展方向。
傳統的半導體材料如以硅、ＧａＡｓ等在微電子、光電子等領域應用廣闊，然而隨著技術的不斷進步，受材料性能所限，這些傳統半導體制成的電子器件，很難滿足于現代電子技術對于高溫、高頻、高壓等工作條件下的新要求，而以 ＳｉＣ 為代表的新型半導體材料，所具有的禁帶寬度大、熱導率高、臨界擊穿電場高等特點，在高頻大功率器件
到目前為止，半導體材料已經過了三個發展階段 —— 第一代半導體是硅(Si)，第二代半導體是砷化(GaAs)，第三代半導體又稱寬帶隙半導體(WBG)則是碳化硅(SiC)和氮化鎵(GaN)。 雖然這個領域并沒有“后浪拍前浪，前浪死在沙灘上”的說法，以GaN和SiC為代表第三代半導體正處于高速發展的階段，Si和GaAs等第一、二代半導體材料也仍在產業中大規模應用。但不可否認，第三代半導體確實具有更多的性
4H-SiC功率器件作為一種寬禁帶半導體器件，憑借突出的材料優勢具有耐壓高、導通電阻低、散熱好等優勢。近年來隨著器件的逐步商用，器件的可靠性問題成為新的研究熱點。
本文綜述了本課題組近期在4H-SiC功率二極管可靠性方面的研究進展，通過高溫存儲和高壓反偏可靠性問題的研究
