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石墨烯联盟第三代宽禁带半导体材料SiC和GaN的研究现状( 二 )


（二）SiC 晶体的制备
图2（a）为SiC 相图 ， 可以看出 ， 在大气氛围中SiC 在2830℃下会分解为C 和含C 量为13% 的Si 熔液 ， 因此无法从Si-C熔融体中进行晶体生长 。 在过去的30 年中 ， 工业界已研发出采用升华的方式制备SiC 衬底的技术 ， 使SiC 材料在低压惰性环境中升华 ， Si、SiC2、Si2C 等分子沿温度梯度迁移 ， 并按照设计取向在单晶SiC 种子层上沉积而重新结晶成SiC 晶体 ， 如图2（b）所示 。 采用新的物理气相传输（PVT）技术能够将晶体制备温度控制在1900~2400℃范围内 。

石墨烯联盟第三代宽禁带半导体材料SiC和GaN的研究现状
本文插图

图2 SiC的相图（a）和制备SiC的物理气相传输（PVT）技术（b）
SiC 存在各种多型体（结晶多系） ， 它们的物性值也各不相同 。 SiC 晶体中存在多种缺陷 ， 这些缺陷会降低其自身的质量 。 常见的晶体缺陷类型有微管、位错、层错、夹杂、多型共生等 ， 如图3 所示 。 晶体缺陷给SiC 器件的应用造成了很大的阻碍 。 在这些缺陷当中 ， 微管缺陷带来的后果最严重 ， SiC 器件的工作区域中任一微管缺陷都可能会导致器件的失效 。

石墨烯联盟第三代宽禁带半导体材料SiC和GaN的研究现状
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图3 常见的SiC晶体缺陷类型
虽然一些电子元器件能够在不使用外延层的情况下直接在衬底材料上制备 ， 但高品质的SiC 器件仍然需要利用高品质的外延材料制备有源区 。 因此 ， 低缺陷的SiC 外延生长技术对SiC器件质量有着重要的影响 。 随着SiC 功率器件制造要求和耐压等级的不断提高 ， 其外延材料不断向低缺陷、厚外延方向发展 。 目前 ， 批量生产SiC 外延材料的产业化公司有美国的CREE、Dow Corning ， 日本昭和电工（Showa Denko）等 。
GaN材料及其制备工艺
在理论上 ， GaN 材料的击穿电场强度（约3×106V/cm）与SiC 材料接近 ， 但受半导体工艺、材料晶格失配等因素影响 ， GaN 器件的电压耐受能力通常在1000V 左右 ， 安全使用电压通常在650V 以下 。 随着各项技术难点的攻克和先进工艺的开发 ， GaN 必将作为新一代高效电源器件的制备材料 。
（一）GaN 材料结构及特性
GaN 是Ⅲ-V 族直接带隙宽禁带半导体 ， 室温下纤锌矿结构的禁带宽度为3.26eV 。 GaN 有3 种晶体结构形式 ， 分别为纤锌矿结构、闪锌矿结构和岩盐矿（Rocksalt）结构 。 其中 ， 纤锌矿结构是Ⅲ族氮化物中最稳定的晶体结构 ， 闪锌矿结构以亚稳相形式存在 ， 而岩盐矿结构是在高压条件下产生的 。 纤锌矿结构的GaN 材料具有其他半导体所不具备的优异物理性能 ， 如耐化学稳定性、超强硬度、超高熔点等 ， 所以 ， GaN基半导体器件具有优异的耐压、耐热、耐腐蚀特性 。 图4 为GaN 的六方纤锌矿结构和GaN 单晶 。

石墨烯联盟第三代宽禁带半导体材料SiC和GaN的研究现状
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图4 GaN的六方纤锌矿结构（a）与GaN单晶（b）
（二）GaN 晶体的制备
GaN 的共价键键能较大（E=876.9kJ/mol） ， 在2500℃熔点下 ， 分解压大约为4.5GPa ，当分解压低于4.5GPa 时 ， GaN 不熔化直接分解 。 所以一些典型的平衡方法（如提拉法和布里奇曼定向凝固法等） ， 不再适用于GaN 单晶的生长 。
目前 ， 只能采用一些特殊的方法来制备单晶 ， 主要包括升华法、高温高压法、熔融结晶法和氢化物气相外延法 。 其中 ， 前3 种方法对设备和工艺都有严格要求 ， 难以实现大规模的单晶生产 ， 不能满足商业化的要求 ， 而氢化物气相外延（Hydride Vapor-phaseEpitaxy ， HVPE）方法是目前研究的主流 。
大多数可以商业化方式提供GaN 的均匀衬底都是通过这种方法生产的 。 该技术具有设备简单、成本低、发展速度快等优点 。 利用金属有机化合物化学气相沉淀（Metal-organic Chemical Vapor Deposition ， MOCVD）技术可以生长出均匀、大尺寸的厚膜作为衬底 。 目前 ， 该技术已经成为制备外延厚膜最有效的方法 ， 并且生长的厚膜可以通过抛光或激光剥离衬底 ， 作为同质外延生长器件结构的衬底 。


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