高性能碳化硅单晶棒及其在新型显示器中的应用
  • 作者:dede58.com
  • 发布时间:19-03-24 19:03
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   i。 碳化硅单晶的特性

   以碳化硅和氮化镓为代表的宽带隙半导体材料被称为第三代半导体材料。。 与第一代和第二代半导体材料相比,碳化硅具有高热导率、高击穿场强、高饱和电子漂移率和高结合能的优点。。 碳化硅是最成熟的宽带隙半导体材料之一。 碳化硅在工作温度、抗辐射、耐击穿电压等性能方面具有明显优势。 其良好的性能可以满足现代电子技术的新要求。 因此,碳化硅被认为是半导体材料中最有前途的材料之一。全球工业正朝着绿色、低碳, 碳化硅是制造高端异质外延器件的理想衬底材料,如高电子迁移率晶体管( HEMT )、激光二极管( LD s )和发光二极管( LEDs ),因为其晶格常数和热膨胀系数接近氮化镓(见表1在微波和射频领域,碳化硅材料主要用于雷达探测、宽带军事/民用通信等领域)直到1989年,美国克里公司才宣布基于碳化硅衬底材料的蓝色发光二极管( 470纳米)已经成功开发出来,并将进入商业应用阶段,但当时其发光二极管的光效率仅为0

   由于碳化硅材料的优良特性,许多国家投入了大量资金对碳化硅进行广泛深入的研究到1997年,约翰等人在1 V电压的作用下,发光二极管可以达到0 美国在2月底制定的“国防和科学计划”中提出了宽带隙半导体的发展目标02μ;紫外光功率,外部量子效率为10 - 6 %,内部量子效率为10 - 3 % 0世纪基于碳化硅的半导体器件重大项目启动后,欧洲许多单位都在大力开展碳化硅研究从全球市场来看,一些公司已经可以提供6英寸碳化硅晶片 到201年4特别适用于制备低能耗高功率电子器件和高密度新型显示器件,因此碳化硅材料在发光二极管发光和新型显示领域必将有更广阔的应用前景,美国S。联邦和地方政府已经提议全力支持以SiC半导体为代表的第三代宽带隙半导体,并将拨款1。4亿美元将用于增强美国在这一新兴行业的国际竞争力。近年来,日本也采取了许多举措,成立了新能源和工业技术发展组织( New Energy and Industrial Technology Development Organization ),该组织发布了一系列基于碳化硅材料和器件的国家计划,主要开发高能、高速和大功率开关器件。在“十一五”重大项目“核高基地”中,中国也提出与国际社会同步开展宽带隙半导体功率器件的研究,其中碳化硅单晶生长技术的突破最为关键。

参数

gin的过去式

3。c - SIc

4H - SIc

6。h - SIc

晶体结构

纤维锌矿

闪锌矿

纤维锌矿

纤维锌矿

点阵常数 / nm

a = 0。31 9。

a = 0。 436

a = 0。30 7。

a = 0。3 0 8。

c = 0。 5.18

c = 0.436

c = 10。053

c = 15.08

景源机械精密加工设备

带宽 / Ev

3。39岁

2。23岁

3。26岁

3。02

电子迁移率/ 厘米2 / (五 s )

900

1000

1140

400

空穴迁移率/ 厘米2/ (五 s )

1 fifty

fifty

fifty

50

饱和电子速率/ ( 厘米 s - 1 )

2.7 ×107

2.2 ×107

2.0 ×107

2.0 ×107

临界电场/ (W 厘米 )

5.0 ×106

2.0 ×106

3.0 ×106

3.2 ×106

介电常数

5.8

9.7

9.6

10

导热性/ w / ( cm ) k )

1.1

4.9

4.9

4.9

表1碳化硅和氮化镓材料主要性能的比较

   碳化硅晶体的基本结构单元是硅碳四面体。如图1所示。1、原子通过四面体SP3杂交结合在一起,具有一定的极化。目前已发现200多种碳化硅晶体形式,常见的晶体形式主要有3C、4H、6H和15R -碳化硅。

无花果。1碳化硅晶体硅碳四面体结构示意图

(硅原子、硅原子、碳原子)

   其中3C -碳化硅为立方结构,硅-碳双原子层以立方结构排列 。沿[方向密集堆积。 6H和4H -碳化硅是沿着[ 0001 ]方向堆叠的六边形结构

   在投影方向上,6H的阶是abca CB…;4H的顺序是ABCB… 。目前,6H和4H-SiC的生长工艺相对成熟,其单晶晶片已经商品化。

   碳化硅具有良好的热稳定性,在常压下不会熔化。其中,6H和4H -碳化硅晶体在室温下的热导率约为4。9 W/ (厘米·k ),是硅的3倍,砷化镓的8倍。高热导率有利于器件散热,这对于碳化硅适合高温大功率器件尤为重要。另外,6H和4H -碳化硅的德拜温度约为1200 K,因此该材料具有优异的力学性能和热性能。此外,碳化硅是半导体激光器的理想散热材料。碳化硅散热器封装的半导体激光器有效降低了器件的热阻,大大提高了半导体激光器的长期可靠性。

   此外,6H和4H -碳化硅的带隙分别为3。0和3。2 eV,约为硅的3倍和砷化镓的2倍,因此碳化硅器件具有高的临界击穿电场。然而,3C -碳化硅具有高达1000 cm2 / ( v·s )的各向同性迁移率和电子迁移率,这是制造电子器件的理想材料之一。

   二。碳化硅单晶生长技术

   艾奇逊于1885年在电炉中加热焦炭和二氧化硅的混合物,得到碳化硅单晶。1892年,艾奇逊将石英砂、焦炭、少量锯末和氯化钠的混合物加热到2700℃,得到鳞片状碳化硅单晶。由于原料含有大量杂质,所得单晶杂质浓度高,晶体完整性差。1955年,李莉提出了一个高 质量 碳化硅单晶的生长方法。将碳化硅粉末放入石墨坩埚中,在氩气或氢气气氛中加热至2500℃,升华后的气相组分通过多孔石墨后进入生长室,低温结晶。碳化硅可以通过Lely方法可控掺杂。该方法生长的单晶尺寸小,无法控制特定单晶形式的晶体生长。

   直到1978年,前苏联科学家泰罗夫和茨韦特科夫提出用种子升华法生长碳化硅单晶,这导致了碳化硅晶体的快速生长。“改进的Lely法”也称为物理蒸汽传输法( PVT法)。这种方法的原理如图2所示。2。该方法采用中频感应线圈加热,以高纯石墨材料为加热元件,将碳化硅原料放入石墨坩埚中,碳化硅籽晶附着在石墨坩埚顶部。将碳化硅材料加热至2200 - 2500℃,惰性气体(一般为氩气)压力为50 - 5000帕,温度梯度控制在15 - 35℃/厘米范围内,材料分解并低温输送至籽晶,籽晶成核生长,形成碳化硅块体单晶,典型生长速率为0。1 ~ 2mm / h。生长过程中要控制的主要工艺参数包括生长温度、温度梯度、生长表面与材料表面的距离、惰性气体压力等。聚乙烯吡咯烷酮法已成为目前生长大尺寸高质量碳化硅单晶最成熟的方法。

物理蒸汽传输生长碳化硅晶体的原理

   1995年,瑞典林克公司;kordina等人。平大学的教授提出了另一种生长碳化硅晶体的方法,即高温化学气相沉积[ 8 ]。它利用气态高纯碳源和硅源在1800 - 2300℃合成碳化硅分子,然后在籽晶上聚集生长,生长速率可达0。3 ~ 0。6毫米/小时。高温化学气相沉积法需要控制热流和气相的稳定性,气相与坩埚壁之间的反应,因此仍处于研发阶段,尚未得到广泛应用。

   此外,科学家还提出了另一种单晶生长方法——液相外延。碳化硅只能在高温( > 3200℃)和106帕以上的压力下获得液态碳化硅,熔体法生长非常困难。德国Erlange - N & uuml;纽伦堡大学通过液相外延生长碳化硅晶体。该方法通过电阻加热和石墨毡作为保温材料,在2300℃下制备无微管碳化硅晶体。然而,液相方法也有许多重要问题需要解决,包括生长晶体的污染、助溶剂的选择、液态硅的升华和坩埚材料的使用寿命等。

   从全球来看,碳化硅晶片生产实力雄厚的单位包括克里公司、道康宁公司、埃尔鲁公司等几家外国企业。上述公司几乎掌握了大部分核心专利技术,占据全球碳化硅晶片市场份额的90 %以上。。2015年,Erlu公司在国际复合半导体制造会议上发布了世界上第一个8英寸直径的碳化硅晶片。我国碳化硅单晶和衬底的研究已经落后于国外几年。大多数研发和制造仍处于4英寸晶圆的水平。近年来,北京田可和达蓝光半导体有限公司。有限公司。山东田玉娥先进材料技术有限公司。有限公司。和其他单位相继推出直径为6英寸的碳化硅单晶产品。产品质量仍然落后于国际水平。为了打破国外的技术封锁,国家科技部2016年发布的《战略性新兴产业重点产品和服务目录》将碳化硅、氮化镓等材料的研究列为重点电子材料发展的重点之一。

   生长碳化硅晶体的条件非常苛刻,通常生长温度高达2000℃,生长压力为50 ~ 5000帕,这无疑对晶体生长设备提出了高性能要求。国外SiC单晶生长设备起步早,性能优异,这是晶体生长行业顶尖企业都是国外企业的现状基础。然而,国外高端SiC单晶设备非常昂贵,我。上述研究成果都为中国半导体技术研究和产业赶超西方发达国家半导体产业提供了帮助。。。国产碳化硅单晶生长设备。三。碳化硅单晶的应用。

环境保护

   发展方向,在中国产业升级的浪潮中,碳化硅材料以其独特的性能越来越多地被使用。随着技术的不断进步和发展,价格也在逐步探索,这为发展带来了历史性机遇

   一些专家预测,以碳化硅材料为代表的第三代材料和器件产业,将是继风能和太阳能之后的又一个大型新兴产业 碳化硅材料的主要应用领域包括高功率电子、微波射频、人造宝石、光电照明和显示等。在制造高耐压和大功率电子器件方面,肖特基二极管( SBD/JBS )、金属氧化物半导体场效应晶体管( MOSFET )、绝缘栅双极晶体管( IGBT )、晶闸管( GTO )等。,可用于智能电网并网逆变器、电动汽车等行业。

   在新显示器方面,各种大显示屏已经进入公众生活。购物中心、广场和生活区的各种显示屏上都显示着美丽的图片和各种信息。事实上,这个显示屏是由数以千计的三原色发光二极管灯珠组成的。家用电视等。

   ,也有传统的冷阴极荧光管光源逐渐转变为发光二极管背光源。大型显示屏、电视和各种电器的背光源对发光二极管的亮度要求极高,对发光二极管芯片的尺寸和能耗也有一定的要求。与蓝宝石发光二极管相比,碳化硅单晶衬底发光二极管具有亮度高、能耗低、使用寿命长、单位芯片面积小、显色指数高和显示密度高等优点。 因此,它们在新的显示应用中具有非常广阔的前景。。。经过多年的研究,基于碳化硅的发光二极管取得了长足的进步。20世纪80年代后期,美国北卡罗来纳州立大学开始研究在碳化硅衬底材料上制备薄膜晶体,但由于工艺困难和成本高,尚未商业化。。。

   1 ~ 0。2 lm / W。

   在6H -碳化硅衬底材料[ 10上成功生长了基于双异质结氮化镓/氮化镓/氮化镓的蓝色发光二极管。此时,蓝色发光二极管的峰值位置约为430纳米,半高宽度为65纳米,在20 mA电流和3。45伏时,1。7 mW碳化硅衬底的输出功率比蓝宝石衬底具有更好的抗静电能力,其电阻高达2000伏。随后,在21世纪初,斯塔特等人。德国欧司朗公司成功地在6H -碳化硅衬底上制备了具有碳化硅衬底的蓝色发光二极管,制备的发光二极管为3。在7V电压和20mA电流的驱动下,它具有7 mW的光输出功率,并且发光带的范围从460纳米到470纳米[ 11 ]。同时发现碳化硅衬底发光二极管峰值位置随电流的变化远小于氧化铝衬底发光二极管峰值位置的变化,为碳化硅衬底发光二极管在新显示领域的应用开辟了新的天地。。。2004年,克里公司能够制备一系列基于6H -碳化硅衬底的氮化镓基发光二极管。此时,制成的发光二极管可以达到约321 ~ 343纳米的紫光波段。20毫安电流时,4。

   2 ~ 2。9毫瓦光输出功率和0外部量子效率( EQE )。26 % ~ 4 %。0 %。然而,所产生的蓝色发光二极管( 455 ~ 460纳米)在20 mA时可以是25。光输出功率为5 mW,工作电压为3。1V,而当量浓度达到47 %,而当量浓度在395纳米和535纳米时分别下降了30 %和22 %。这是因为当发射带小于440纳米时,复合过程中的主导地位是缺陷和载流子之间的相互作用,而当发射带大于440纳米时,主导地位是由压电场引起的复合。由它们制备的白光发光二极管的发光效率达到78 lm/w。2006年,帕克等人。在6H碳化硅衬底上制备紫外发光二极管,得到的发光二极管电阻为18。2ω;研究发现,在353纳米处,具有P型势垒结构的发光二极管的峰值强度达到最大,并且随着注入电流的增加而增加。。。2006年,Taniyasu等人。在6H碳化硅衬底上生长深紫外氮化铝发光二极管。所获得的发光二极管芯片由20 mA的电流和45 V的电压驱动,并且在210纳米处获得0。

  2010年,Kawai等人。碳化硅衬底上制备的蛾眼发光二极管。蛾眼结构发光二极管的光提取率为3。4次。除了在6H -碳化硅衬底上制备发光二极管之外,许多公司和研究团队还在3C -碳化硅和M -平面4H -碳化硅衬底上成功制备了发光二极管,[ 16 ]。2010年,克里宣布推出基于碳化硅衬底的新型XLampMK-RLED。如图4所示,在1W和25℃的条件下,CREE可以提供高达200 lm/W的光效率。然而,克里公司多年来不断刷新发光二极管的光效率记录,从2006年的131流明/瓦至今。

   目前,克里公司制备的基于碳化硅衬底的发光二极管在实验室的光效率已经达到303流明/瓦。。。克里公司生产的基于碳化硅衬底的发光二极管。近年来,随着。欧盟。

碳化硅作为第三代宽带隙半导体的典型代表,可以借鉴或参照相对成熟的硅材料器件工艺,从而快速改善单晶生长工艺和器件制造工艺

   可以预见,碳化硅将作为第三代半导体的支柱在不久的将来迅速发展 由于碳化硅器件的独特性能,它已成为世界研究投资的焦点 不仅美国、日本和欧洲投入了大量资金研究碳化硅单晶和器件,中国也投入了大量研究资金大力发展碳化硅半导体器件。。。四。结论。在过去的20年中,随着碳化硅单晶生长技术和相关半导体技术的快速发展,目前用物理气相沉积法生长的碳化硅晶片已经商业化。

   此外,8英寸晶圆生产技术已经逐渐成熟,现在市场上有少量产品。中国的相关单位也在努力赶上对方

   目前,一些公司已经开始引进6英寸碳化硅芯片产品。。。如今,越来越多的大屏幕出现在人们的生活中,在广场、商场和高速公路上可以看到各种各样的屏幕。因为室外屏幕要求极高的亮度,所以越来越多的屏幕由碳化硅基发光二极管制成。因为碳化硅基发光二极管比蓝宝石基发光二极管具有高功率、低能耗、高发光效率、小芯片面积等优点。

   。。。。

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