SiC材料及器件研制的进展

3　国家自然科学基金资助项目

2000-01-20收到初稿,2000-03-22修回

SiC 材料及器件研制的进展3

李　晋　闽

(中国科学院半导体研究所　北京　100083)

摘　要 作为第三代的半导体材料———SiC 具有禁带宽度大、热导率高、电子的饱和漂移速度大、临界击穿电场高和介电常数低等特点,在高频、大功率、耐高温、抗辐照的半导体器件及紫外探测器和短波发光二极管等方面具有广泛的应用前景.文章综述了半导体SiC 材料生长及其器件研制的概况.关键词 SiC 材料,外延生长,SiC 器件

SiC MATERIALS AN D DEVICES

L I Jin 2Min

(Instit ute of Semiconductors ,Chinese Academy of Sciences ,Beijing 100083)

Abstract As a third generation semiconductor materials ,SiC has a large band gap ,high thermal conductivity ,high electron saturation velocity ,high breakedown voltage and low dielectric constant.Its promising properties make it an attractive material for high 2frequency ,high 2power ,high 2temperature and radiation stable electronic devices ,UV detectors and short wave length L ED ’s.This review describes the progress of SiC bulk and film growth and its device applications.

K ey w ords SiC material ,epilayer growth ,SiC device

1　引言

在半导体工业中目前仍占主要地位的Si 是第

一代电子材料.20世纪60年代,发展了第二代电子材料,即Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体,包括G aAs 、G aP 、InP 以及它们的合金.这些化合物半导体构成了所有光电子器件的基础,同时也开辟了高性能微波和数字电路的新市场.

目前,第三代电子材料从正在研究和发展的激烈竞争中脱颖而出,它们将在一段较长的时期内对微电子学和光电子学产生影响,这些材料就是宽带隙(E g >213eV )半导体,它们包括:氮化镓(G aN )、氮化铝(AlN )、碳化硅(SiC )、立方氮化硼(c -BN )、金刚石及其固溶体.宽带隙半导体材料以其高的禁带宽度,高的击穿临界场强、饱和速度和热导率,小的介电常数和较高的电子迁移率,以及抗辐射能力强,结实耐磨损等特性而成为制作高频、大功率、耐高温和抗辐射器件的理想材料.由于它们具有优越的物理特性,由这些材料本身制作的器件在高功率、高温、高频和短波长应用方面具有比Si 、G aAs 或

InP 所制作的器件优越得多的工作特性.

早期试图使用宽带隙半导体的努力,由于晶体生长、材料纯度、欧姆接触、整流接触等问题无法解

决而受阻.近几年取得了相当快的进展,实现了若干关键问题的突破.尽管在晶体生长和器件制作方面与Si 和G aAs 相比仍然相当不成熟,但是宽带隙器件已经开始走向市场.光电子器件是首先走向市场的,因为它对宽带隙材料衬底质量的要求比电子器件低.高频大功率和高温工作的晶体管、二极管以及最近推出的简单集成电路,已经采用SiC 、金刚石和G aN 材料制作成功,预期将在3—5年内变为适用于若干工业领域的商品.

高温半导体材料由于其制成的器件和电路在国防安全、航空航天、汽车、石油钻探等工业技术的特殊环境下应用的前景,从20世纪60年代开始就已受到重视.近年来,由于半导体材料工艺的迅速发展而有了新的进展.特别是G aN 基和SiC 基电子器件除了可应用于上述的高温恶劣工作环境条件之外,还可应用于制备光电器件、全色显示、高密度光盘存

储、海底搜索以及激光打印等各个方面,已显示出很好的市场应用前景.

“九五”期间,我国在高温微电子材料和器件的研究方面已取得了一定的进展[1—4],选择SiC、G aN 这两种具有良好应用前景的材料进行深入研究,提高材料质量使之满足器件要求是我国微电子技术在这一重要领域赶上国际水平的必由之路.

2　SiC材料的基本性能及其研究概况

211　SiC发展史话

SiC事实上是一个很古老的材料.早在1824年,瑞典科学家Berzelius(1779—1848)在人工合成金刚石的过程中就观察到了SiC.但在那个年代,人们对SiC了解很少,这是因为天然的SiC单晶极少所致.直到1885年Acheson(1856—1931)首次生长出SiC晶体之后,人们才开始对SiC感兴趣,并想进一步了解它.起初Acheson错误地认为这种材料是C和Al的化合物.他的目的是想寻找一种材料能够代替金刚石和其他研磨材料,用于材料的切割和抛光.Acheson发现的这种单晶材料具有硬度大、熔点高等特性,并于1893年申请了专利,他将这种产品称为“Carborundum”.这一发明具有极大的影响力,而且用这一方法制造出来的材料当时还主要用于切割和研磨.但是由于晶体的尺寸小,并且其中存在大量的缺陷,SiC材料还不能作为电子器件用材料.

1905年,法国科学家Moissan(1852—1907)在美国Arizona的Dablo大峡谷陨石里发现了天然的SiC单晶,基于这一原因,矿物学家将这种天然的SiC命名为“Moissanite”.由于天然的金刚石数量很少,用SiC替代金刚石便对人们产生了巨大的魅力.然而,在很多情况下人们认识到SiC比金刚石能更好的适用于电子学方面的应用.

在开始探讨SiC电子特性不久,即1907年,英国电子工程师Round(1881—1966)制造出了第一只SiC的电致发光二极管.1920年,SiC单晶作为探测器应用于早期的无线电接收机上.直到1959年, Lely发明了一种采用升华法生长高质量单晶体的新方法,从此开辟了SiC材料和器件研究的新纪元.此后,有关SiC的研究工作全面展开,并且于1958年在Boston召开了第一届SiC会议.

但是,Si技术的成功以及迅猛发展,使得人们对SiC的研究兴趣下降.这一时期的研究工作,即60年代中期到70年代中期,主要在前苏联进行,在西方一些国家,SiC的研究工作仅处于维持状态. 1978年,俄罗斯科学家Tairov和Tsvetkov发明了改良的Lely法以获得较大晶体的SiC生长技术[5],他们的这一发现,可以说是又一个重要的里程碑,显示出SiC单晶材料具备了进入商业领域的诱人前景,使得SiC材料和器件的研究又获得新的发展机遇.在1979年,成功地制造出了SiC蓝色发光二极管.1981年,Matsunami发明了Si衬底上生长单晶SiC的工艺技术,并在SiC领域引发了技术的高速发展.1987年,Cree Research成立,成为了第一个销售SiC单晶衬底的美国公司,为SiC的进一步发展开辟了道路.由于Si技术和Ⅲ-Ⅴ族化合物技术的发展局限性,使得人们逐步增强了对SiC的研究兴趣,且目前这一领域由于SiC衬底的商品化而迅猛发展起来.

212　SiC材料的基本性能

SiC具有250种同型异构体,每种同型异构体的C/Si双原子层的堆垛次序不同.最常见的同型异构体为立方密排的3C-SiC和六方密排的4H、6H-SiC,其中数字代表堆垛周期中的双原子层数.六方结构的SiC中常常夹杂菱方结构的15R、21R.立方结构的SiC通常称β-SiC,六方结构的SiC通称为α-SiC.图1为这几种常见SiC同型异构体的原子堆垛示意图,3C-SiC中原子的堆垛次序为ABCABCA…,4H的为ABCBA…,6H的为ABCAC2 BA….不同的同型异构体具有不同光学性质和电学性质,表1中给出了几种常见的SiC同型异构体与Si、G aAs等材料的性能参数,从表中可以看出,SiC 的禁带宽度为Si的2—3倍,热导率约为Si的414倍,临界击穿电场约为Si的8倍,电子的饱和漂移速度为Si的2倍.SiC的这些性能使其成为高频、大功率、耐高温、抗辐照的半导体器件的优选材料,用于地面核反应堆系统的监控、原油勘探、环境检测及航空、航天、雷达、通讯系统及汽车马达等领域的极端环境中;SiC的L ED’s可以覆盖从蓝光到紫外的波段,用于光信息显示系统及光集成电路等领域中. SiC与G aN和金刚石被认为是继Si和G aAs之后的第三代半导体材料.

213　SiC材料及相关器件的研究概况

虽然改良Lely法生长的SiC单晶的尺寸比较大,能够提供商用SiC体单晶材料,但其中缺陷密度比较高,特别是贯穿晶体深处的微管道缺陷的密度比Lely法生长的高,而微管道缺陷严重影响器件的性能.曾有许多研究机构致力于消除微管道缺陷的

图1　几种常见SiC的原子堆垛示意图

(a)3C-SiC;(b)6H-SiC;(c)4H-SiC

表1　SiC与Si和G aAs的有关参数的对比

Si G aAs3C-SiC6H-SiC4H-SiC G aN diamond 密度(kg/m3)

晶格常数(!)5143516541359631081/151********/101061

熔点(K)14201235>2100升华>2100升华>2100升华相变热稳定性G ood Fair Excellent Excellent Excellent G ood G ood 带宽(eV)　1111　11432123310231263139515最高工作温度(K)6007601250158015801400

电子迁移率(cm2/V?s)15008500100040011409002200

空穴迁移率(cm2/V?s)6004005050501501600

饱和电子速率(107cm/s)110110212210210217217临界电场(106V/cm)013016210312310510

介电常数11181215917109169515热导率(W/cm?K)115014641941941911320

研究,但目前仍无法生长大面积的无微管道缺陷的单晶,于是人们又关注70年代后期舍弃的Lely生长方法,希望提高Lely法生长的晶体的尺寸,从而获得无微管道缺陷的大尺寸SiC晶体.1996年, Lebedev等人报道了用Lely法生长的无微管道缺陷的SiC面积达到20×20mm2.

无论Lely法还是改良的Lely法生长的单晶几乎都是六方结构的4H,6H-SiC,而立方SiC中载流子迁移率较高,更适合于研制微电子器件,但至今尚无商用的3C-SiC体单晶.另外,SiC体单晶在高温下(>2200℃)生长,掺杂难于控制,晶体中存在缺陷,特别是微管道缺陷无法消除,并且SiC体单晶非常昂贵,于是发展了多种外延SiC的方法.21311　SiC材料的外延生长

SiC外延的方法主要有:溅射法(sputting)、激光烧结法(laser ablation)、升华法(sublimation epi2 taxy)、液相外延法(L PE)、化学气相沉积(CVD)和分子束外延法(MB E)等.大部分外延用后三种方法.

(1)液相外延(L PE)生长

体单晶的生长温度高于2000℃,L PE生长可以将生长温度降低到1500—1700℃.SiC不存在液相,早期的L PE生长是将Si熔于石墨坩埚中,坩埚中的C溶于熔融的Si中,将衬底置于坩埚中并保持在相对较低的温度,溶解的C原子与Si原子运动到衬底沉积形成SiC.用该方法生长的SiC在冷却时容易

出现裂缝,从坩埚中取出也很困难.后来Suzuki等人提出浸渍法生长技术,引进籽晶使生长的晶体与坩埚分离,克服了上述缺点.L PE生长一般在1650—1800℃的Ar气中进行,生长速率为2—7μm/h.在融Si中加入Al可生长p型SiC,加入Si3N4或Ar气中加入N2生长n型SiC.L PE生长的薄膜的电学性能较差,在许多方面已被CVD生长所取代,但用L PE生长的材料研制的发光二极管(L ED’s)的发光效率比用CVD生长的材料研制的高约10倍.目前4H、6H-SiC蓝光二极管的材料主要用L PE方法生长.

(2)化学气相沉积(CVD)

随着SiC体单晶生长技术的成熟,以6H-SiC 为衬底的生长引起了极大的关注.6H-SiC衬底上外延的3C和6H-SiC中的缺陷比较少,但6H-SiC衬底的价格非常昂贵;Si与SiC的晶格失配和热膨胀系数失配较大,但大面积、高质量的Si衬底很容易得到.目前大多数SiC的外延衬底用6H-SiC和Si.

(i)6H-SiC衬底上的外延

以6H-SiC为衬底的外延几乎都用SiH4-C3H8-H2体系,SiH4和C3H8的流量一般为011—013sccm,H2的流量一般为3L/min.最初在6H-SiC的(0001)面上外延表面较好的6H-SiC,温度必须高于1800℃,低于该温度形成3C-SiC孪晶.后来发现在将(0001)衬底偏向[1120]3—6°,能将生长温度降到1200—1500℃.为解释衬底偏向对SiC 生长的影响,Kuroda等人提出了“台阶控制(step2 controlled)”模型:当吸附原子的扩散长度与外延表面的台阶宽度差不多时,吸附原子将扩散到台阶边缘处,沿台阶横向生长(step flow);当台阶宽度远大于吸附原子的扩散长度时,吸附原子在台面上成核(terrace nucleation),生长沿两维方向进行.该模型能够很好地解释衬底偏向对外延层性能的影响. Yamashita[6]等人采用台阶密度更高的6H-SiC的(0114)面和(0114)面进行外延时,发现生长温度降低到1100℃,可以生长出单晶SiC.

(ii)Si衬底上的外延

Si与SiC的晶格失配为20%,热膨胀系数失配为8%.Si衬底上生长的SiC中存在高密度的失配位错,高温生长的SiC在冷却时产生的很大的内应力.在Si衬底上生长的SiC除位错外,还有层错、反相畴和微孪晶等缺陷.Powell等人用偏向[011]2°的Si(100)面生长,反相畴可以消除,但其他缺陷仍然存在.1983年,Nishino等人[7]为了减少失配缺陷,引进两步生长方法:在生长SiC之前,只引入C源,在Si上先生长一层SiC缓冲层后,然后同时通入Si 源和C源生长SiC.以后几乎所有Si衬底上的外延都采用两步生长方法,但所采用的源和碳化方法有所不同.最典型的方法是室温下引入C源后,将衬底温度快速升高到1300℃左右,并保持一段时间进行碳化,碳化后将衬底温度调至到所需值进行生长.碳化形成的SiC的质量影响外延膜的质量.目前Si 衬底上外延的SiC中仍存在多种缺陷.

无论衬底类型如何,CVD生长的非掺杂的6H、3C-SiC都为n型,生长速率为几个μm/h.在SiC 生长过程中,一般掺入Al、G a和B形成p型,掺入N 形成n型,掺入深能级的钒能形成半绝缘材料.生长过程中杂质的掺入符合“位置竞争(site competi2 tion)”理论,即生长过程中占据C位的杂质与源供给的C原子竞争,只有富Si的条件下掺杂浓度才比较高;相反,占据Si位的杂质原子与源供给的Si原子竞争,占据Si位的杂质原子只有富C条件下掺杂浓度才比较高.根据该理论,通过调整生长过程中的C、Si源的流量比可以控制掺杂浓度.目前SiC中掺杂浓度可以达到1014—1019/cm3.

国际上对于SiC的CVD生长及外延材料性能方面的研究比较多,同质外延SiC,无论是生长机理、掺杂依据还是生长技术相对比较成熟,而异质外延的3C-SiC中仍存在多种缺陷.我国在这方面的研究比较少,只见到少数有关Si衬底上外延SiC的报道.

(3)MB E生长

与CVD相比,MB E的生长环境洁净、生长温度比较低,相应的生长速率比较小(固源为约013μm/h,气源约为<100!/h),但在低生长率下便于研究生长过程中原子的表面吸附、脱附及生长表面的再构等相关方面的机理.目前SiC的MB E生长主要用于研究生长机理.

(i)固源生长

固源生长是采用电子枪加热多晶Si和石墨进行.Kaneda等[8]在6H-SiC的(0001)面上生长,Si 原子流量为7×1014/cm2?s,温度高于1150℃生长出3C-SiC单晶.Fissel等人[9]在6H-SiC的(0001)面和偏离轴的(0001)面上生长时发现,生长温度低于1000℃,在偏轴的(0001)面上生长的SiC 中具有较高密度的双定位晶界,在正晶向的(0001)面上生长的SiC中双定位晶界的密度小.显然生长

温度比较低时,台面成核为主,偏向衬底引进的不同表面台阶上SiC岛之间的连接将形成高密度的双定位晶界缺陷.

Zhou等人[10]750℃下在Si(111)面上生长出3C-SiC单晶,但生长的单晶中C/Si<1时,出现Si 沉淀;C/Si>1时表面粗糙,只有C/Si=1才是较好的单晶.K itabatake等人在生长过程中调节Si、C原子的束流强度,使表面呈现(3×2)再构,在正晶向和偏向Si(001)衬底上生长了3C-SiC单晶,他们认为生长表面吸附多余的Si有利于SiC的生长.

(ii)气源MB E生长

GS-MB E生长过程中,由于氢化物C源不容易分解,外延层的质量一般比较差.Davis等人[11]在950—1150℃同时引入Si2H6(0101—011sccm)和C2H2(011—012sccm),在偏离(0001)3—5°晶面6H-SiC上生长了单晶SiC.

在Si衬底上生长之前,一般也先进行碳化. Y oshinobu用C3H8、C2H6和C2H2碳化Si衬底,只在750℃左右的很窄温度范围内得到单晶SiC碳化层,其他温度下碳化都形成多晶缓冲层;而Si衬底碳化之前不除去表面氧化层,室温下直接将碳源引入生长室,再升高衬底温度进行碳化,碳化容易形成单晶缓冲层.但用该方法碳化时,衬底的升温速率很难控制,升温速率太慢表面氧化层无法除去,升温速率太快碳化层的质量变差.目前人们还无法获得理想的碳化缓冲层.常用的碳化方法是将Si衬底在高温除去氧化层后,温度降低到200℃—300℃,然后引入C源,再升高衬底温度进行碳化.

Ichi等人[12]1050℃下在Si(111)衬底上,用Si2

HCl3和C2H4源,在J SiHCl

3/J C

2

H

4

=013—5,P SiHCl

3

=

39919×10-5Pa的条件下生长出3C-SiC单晶.但Y oshinobu等人在相近条件下只生长出3C-SiC多晶,而交替引入源生长出3C-SiC单晶.他们认为在温度比较低时,Si源与C源同时引入时,生长表面吸附的Si原子在覆盖生长表面之前与C源反应,形成SiC岛,岛之间连接容易形成孪晶;交替引入源时,C源与吸附的Si原子面反应之前,Si原子覆盖了生长面,容易形成单晶.

SiC的MB E生长,特别是Si衬底上的外延生长,无论是生长技术,还是生长机理都不成熟,不同研究机构在相近条件下得出的结论存在较大的差异.

21312　SiC器件的研制概况

随着体单晶及其同质外延SiC材料性能的不断提高,SiC器件的开发目前成为许多机构的研究的热点,Cree公司计划在2000年使SiC的M ESFET 器件商用化,而我国在器件方面的研制尚处于起步阶段.

(1)SiC材料的掺杂

SiC材料常用n型掺杂剂为N(N2,N H3),p型掺杂剂为Al,也有用B的.几乎都用生长过程中引入掺杂剂的原位掺杂方式,个别用离子注入.

David等人发现,在SiC生长过程中(CVD),Si/ C比对SiC的原位掺杂水平有很大的影响,他们将这一过程称为“位竞争外延”(site-competition epi2 taxy).通过控制CVD过程中的Si/C比可以大大改善SiC掺杂的重复性和可控掺杂范围.在他们的实验之前,一般n型掺杂范围为N D=2×1016—5×1018cm-3,p型掺杂范围为N A=2×1016—1×1018 cm-3.用位竞争外延方法使得n型和p型掺杂范围分别增大到5×1015—2×1019cm-3和5×1014—1×1019cm-3.认为在掺杂中n型杂质原子N占C位,p 型杂质原子Al占Si位.

(2)SiC器件中的欧姆接触

在SiC大功率器件中,SiC和金属间的欧姆接触电阻的大小直接影响到SiC大功率器件性能的优劣.如果接触电阻太高,器件工作时的压降及功耗增大,引起器件因发热而温度过高.Wang等人曾经计算了SiC和金属间的欧姆接触电阻对SiC功率器件的影响.结果表明,为了能发挥SiC材料在大功率器件方面所固有的优势,要求比接触电阻小于10-6Ω?cm2.如果比接触电阻大于1×10-5Ω?cm2,与Si相比SiC在大功率器件方面的优势将被抵消.因此为了能实现SiC大功率器件的实用化,不仅要制备高质量的SiC材料,也要开展SiC与金属间欧姆接触方面的研究.国际上已有一些小组开展了这方面的工作,并取得了一些可喜的进展.

1993年,Dmitriev等人(Howard University)[13]为了降低金属和6H-SiC之间的接触电阻,先在6H-SiC上用L PCVD(SiH4-C3H8-H2,1150℃)方法生长了一层3C-SiC(小于20nm),然后再在其上制作欧姆接触.100nm Ni/n-SiC,15nm Ti/150nm Al/p-SiC.蒸发金属后,金属与n型SiC 之间是欧姆接触,而和p-SiC之间不是欧姆接触. Ni/n-SiC和Ti/Al/p-SiC用快速退火分别在1000℃和950℃下退火30s和2min.Ni与在6H-SiC(0001)Si面上生长的3C-SiC之间的比接触电阻小于117×10-5Ω?cm2,与在6H-SiC(0001)C面

上的3C-SiC之间的比接触电阻小于6×10-5Ω?cm2(没有3C-SiC中间层时的比接触电阻为2×10-4Ω?cm2).Ti/Al和p型3C-SiC之间的比接触电阻为(2—3)×10-5Ω?cm2.Dmitriev等人在制作SiC上的欧姆接触工艺中有一步高温退火,这对器件可能有不良的影响,因为欧姆接触在器件制作中是芯片上的最后一步工艺.为此,Moki等人[14]利用在SiC表面高掺杂的办法,不用退火就得到了Al和Ti与3C-SiC(n型)之间的比接触电阻分别达到114×10-5和115×10-5Ω?cm2.

1994年,Toshiba Corp.研究了Ni和n型6H-SiC之间的欧姆接触,所用的n+6H-SiC用L PE生长.发现当6H-SiC的载流子浓度大于5×1019cm-3时,不用退火就可制得Ni和6H-SiC之间的欧姆接触,但接触电阻大于1×10-4Ω?cm2.当在Ar气氛中1000℃退火5min后,其比电阻降低几个数量级.在6H-SiC中的载流子浓度为415×1020cm-3时,接触电阻可低于1×10-6Ω?cm2,这是目前所报道的最低值.

(3)SiC器件

虽然早在50年代就观察到了SiC材料的电致发光,并且SiC蓝光发光二极管早已实现了商品化,但由于SiC材料的生长工艺技术还不够成熟,SiC 器件的工艺技术,如高质量SiO2的制备、良好的欧姆接触、图形加工技术等还有待于开发,SiC电子器件研制尚处于起步阶段.

1994年,Motorola的研究小组报道了4H-SiC M ESFET,栅长017μm,栅宽332μm.在5GHz下的增益为913dB,在118GHz下工作时,功率密度达到218W/mm,跨导为38—42mS/mm.1995年,Fuji Electric Corp.研制出了击穿电压达1000V的4H-SiC肖特基势垒二极管,导通电流密度为100A/cm2时正向压降为1106V.Ueno等人(Fuji Electric Corp.)报道了带有保护环的6H-SiC肖特基势垒二极管,击穿电压达550V.1996年,Itoh等人[15] (Kyoto University)研制成功的Ti/4H-SiC肖特基整流器的阻断电压为1100V(最高达1750V),在150℃下工作时,其阻断电压仍可达1100V以上.同年,Xie等人报道了6H-SiC晶闸管,正向转折电压接近100V,脉冲开关电流密度为5200A/cm2.当温度上升到300℃时,其转折电压只降低4%.Sriram 等人[16]研制成功015μm栅长的4H-SiC M ESFET,最高振荡频率达42GHz,直流跨导达40mS/mm.20GHz下RF增益为511dB,电流密度可达50mA/mm,栅漏击穿电压为100V.

1994年,NASA报道了用常压CVD生长的6H -SiC p+n结二极管,其击穿电压超过2000V[p+n 结n型层掺N浓度为(2—5)×1015cm-3,在1450℃下生长].

1995年,瑞典Linkoping University的K ordina 等人[17]用CVD方法在n+6H-SiC衬底上生长42μm的n-SiC浓度为1×1015cm-3(在1550℃下生长),再生长掺Al(TMAl)p+-SiC(～1×1018cm-3),用RIE刻蚀出一个<160μm的台阶,Al 和Ni分别作p和n型SiC的欧姆接触材料.该6H -SiC p+n结的击穿电压大于4500V,100V下的漏电小于20nA,1100V下小于1μA.正向电流密度为100A/cm2时的正向压降为6V,该二极管的击穿发生在器件的边缘.

用3C-SiC材料目前研制的pn结二极管的击穿电压远不如6H-SiC的高,这可能是由于缺乏3C-SiC衬底,3C-SiC是生长在6H-SiC上的,这样得到的3C-SiC中的缺陷密度(DPB等)较高,使其耐压特性变差.1993年,Neudeck等人在6H-SiC 上用CVD方法制备的3C-SiC p+n结(p:1μm,N A >1018cm-3,n:5μm,N D～1×1016cm-3)的反向击穿电压约为2000V,击穿也是发生在边缘.

用SiC宽带隙材料取代Si材料作双极晶体管的发射区,可以在保持高的电流增益的前提下降低基区的电阻,从而改善双极晶体管的高频特性.1988年,Fuji Ltd.研制的β-SiC/Si HB T共射极电流增益达800,基极电流的理想因子为111,表明扩散电流占主导地位.

1996年,Sherppard等人[18]报道了用6H-SiC 材料研制的第一只埋沟CCD(burried channel charge -coupled device,BCCD)器件,时钟频率为515kHz 时,电荷转移率大于9914%.

用CVD同质外延的6H-SiC研制p-i-n二极管的反向电压达到415kV,相应的漏电流小于118mA,反向电压为111kV时的漏电流仅为1μA;正向电压为6V时的电流密度为100A/cm2.用同质外延的4H-SiC研制肖特基二极管的反向偏压最高为1175kV;正向偏压为2V时的电流密度为732A/cm2.用6H-SiC研制的npnp晶闸管在无栅信号时的正向翻转电压为100V,加45μA的栅信号,正向翻转电压下降为6V,开关电流密度达到5200A/cm2,开关频率为600kHz,正向导通电压为219V时的电流密度为100A/cm2;300℃时正向翻转

电压下降4%.而Si的晶闸管在150℃失效.用6H-SiC研制的J FET’s在室温至673K具有良好的饱和特性.最近研制的栅长为013μm的6H-SiC的J FET’s的最高频率为f max=912GHz,截止频率为f T=713GHz,最大跨导为24mS/mm;漏电压为40V,f=850MHz时的输出功率为113W/mm.用6H-SiC研制的M ESFET室温下夹断电压为1185V时,最大跨导为211mS/mm;623K时跨导下降为1135mS/mm,但仍有良好的饱和特性.用高阻衬底上同质外延的6H-SiC研制的M ESFET的f max=25GHz,f T=10GHz,6GHz时的输出功率为315W/mm,最大跨导为40mS/mm.在高阻4H-SiC 衬底上生长的栅长015μm的M ESFET,f max= 42GHz,f T=1312GHz,20GHz的增益511dB,最大跨导为40mS/mm.用3C,6H-SiC研制的MOS2 FET器件在室温具有良好的饱和特性,923K仍能正常工作.

Cree研制的商品化的蓝光L ED’s的发光中心在470nm,发光功率为18μW,3V偏压下(25mA)对应的外量子效率为0103%.由于SiC的L ED’s可以在大输入电流下使用,可以弥补其量子效率低的缺陷.在50mA和36μW下工作104小时,其外量子效率降低10%—15%.SiC探测器可以探测发热物体背景下的紫外信号,具有暗电流小、探测效率高的特点.用6H-SiC研制的探测器的暗电流小于1μA?m-2,探测效率达到0101—011f W?Hz1/2,入射光功率达到100kW/m2.SiC的Pt栅氢气传感器可以在800℃下使用,此外,SiC在存贮器件等领域的研究也取得了一些进展.

3　结束语

从以上介绍的SiC材料生长及其器件研制的现状可以看出,SiC是非常有潜力的材料.SiC所具有的卓越性能使其成为高频、大功率、耐高温、抗辐照的半导体器件的优选材料,可广泛应用于地面核反应堆的监控、石油勘探、环境监测及航空、航天、雷达、通信、大功率的电子转换器、多色光信息显示系统及光集成电路等领域中.

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[17]K ordina K et al.Appl,Phys.Lett.,1995,67:1561

[18]Sheppard S T.IEEE,Electron.Device Lett.,1996,17:4

第1章 常用半导体器件

第一章 常用半导体器件 自 测 题 一、判断下列说法是否正确，用“√”和“×”表示判断结果填入空内。 （1）在N 型半导体中如果掺入足够量的三价元素，可将其改型为P 型半导体。（ ） （2）因为N 型半导体的多子是自由电子，所以它带负电。（ ） （3）PN 结在无光照、无外加电压时，结电流为零。（ ） （4）处于放大状态的晶体管，集电极电流是多子漂移运动形成的。 （ ） （5）结型场效应管外加的栅-源电压应使栅-源间的耗尽层承受反向电压，才能保证其R G S 大的特点。（ ） （6）若耗尽型N 沟道MOS 管的U G S 大于零，则其输入电阻会明显变小。（ ） 解：（1）√ （2）× （3）√ （4）× （5）√ （6）× 二、选择正确答案填入空内。 （1）PN 结加正向电压时，空间电荷区将 。 A. 变窄 B. 基本不变 C. 变宽 （2）设二极管的端电压为U ，则二极管的电流方程是 。 A. I S e U B. T U U I e S C. )1e (S －T U U I （3）稳压管的稳压区是其工作在 。 A. 正向导通 B.反向截止 C.反向击穿 （4）当晶体管工作在放大区时，发射结电压和集电结电压应为 。 A. 前者反偏、后者也反偏 B. 前者正偏、后者反偏 C. 前者正偏、后者也正偏 （5）U G S ＝0V 时，能够工作在恒流区的场效应管有 。 A. 结型管 B. 增强型MOS 管 C. 耗尽型MOS 管 解：（1）A （2）C （3）C （4）B （5）A C

三、写出图T1.3所示各电路的输出电压值，设二极管导通电压U D＝0.7V。 图T1.3 解：U O1≈1.3V，U O2＝0，U O3≈－1.3V，U O4≈2V，U O5≈1.3V， U O6≈－2V。 四、已知稳压管的稳压值U Z＝6V，稳定电流的最小值I Z mi n＝5mA。求图T1.4所示电路中U O1和U O2各为多少伏。 图T1.4 解：U O1＝6V，U O2＝5V。

1章 常用半导体器件 习题

第一章题解－1 第一章 常用半导体器件 习 题 1.1 选择合适答案填入空内。 （1）在本征半导体中加入 元素可形成N 型半导体，加入 元素可形成P 型半导体。 A. 五价 B. 四价 C. 三价 （2）当温度升高时，二极管的反向饱和电流将 。 A. 增大 B. 不变 C. 减小 （3）工作在放大区的某三极管，如果当I B 从12μA 增大到22μA 时，I C 从1m A 变为2m A ，那么它的β约为 。 A. 83 B. 91 C. 100 （4）当场效应管的漏极直流电流I D 从2m A 变为4m A 时，它的低频跨导g m 将 。 A.增大 B.不变 C.减小 解：（1）A ，C （2）A （3）C （4）A 1.2 能否将1.5V 的干电池以正向接法接到二极管两端？为什么？ 解：不能。因为二极管的正向电流与其端电压成指数关系，当端电压为1.5V 时，管子会因电流过大而烧坏。 1.3 电路如图P1.3所示，已知u i ＝10s in ωt (v)，试画出u i 与u O 的波形。设二极管正向导通电压可忽略不计。 图P1.3

第一章题解－2 解图P1.3 解：u i 和u o 的波形如解图P1.3所示。 1.4 电路如图P1.4所示，已知u i ＝5s in ωt (V)，二极管导通电压U D ＝0.7V 。试画出u i 与u O 的波形，并标出幅值。 图P1.4 解图P1.4 解：波形如解图P1.4所示。 1.5 电路如图P1.5（a ）所示，其输入电压u I1和u I2的波形如图（b ）所示，二极管导通电压U D ＝0.7V 。试画出输出电压u O 的波形，并标出幅值。 图P1.5 解：u O 的波形如解图P1.5所示。

电子电路基础习题册参考答案第一章

电子电路基础习题册参考答案（第三版）全国中等职业技术 第一章常用半导体器件 §1-1 晶体二极管 一、填空题 1、物质按导电能力的强弱可分为导体、绝缘体和半导体三大类，最常用的半导体材料是硅和锗。 2、根据在纯净的半导体中掺入的杂质元素不同，可形成N 型半导体和P 型半导体。 3、纯净半导体又称本征半导体，其内部空穴和自由电子数相等。N型半导体又称电子型半导体，其内部少数载流子是空穴；P型半导体又称空穴型半导体，其内部少数载流子是电子。 4、晶体二极管具有单向导电性，即加正向电压时，二极管导通，加反向电压时，二极管截止。一般硅二极管的开启电压约为0.5 V，锗二极管的开启电压约为0.1 V；二极管导通后，一般硅二极管的正向压降约为0.7 V,锗二极管的正向压降约为0.3 V。 5.锗二极管开启电压小，通常用于检波电路，硅二极管反向电流小，在整流电路 及电工设备中常使用硅二极管。 6.稳压二极管工作于反向击穿区，稳压二极管的动态电阻越小，其稳压性能好。

7在稳压电路中，必须串接限流电阻，防止反向击穿电流超过极限值而发生热击穿损坏稳压管。 8二极管按制造工艺不同，分为点接触型、面接触型和平面型。 9、二极管按用途不同可分为普通二极管、整流二极管、稳压二极管、 开关、热敏、发光和光电二极管等二极管。 10、二极管的主要参数有最大整流电流、最高反向工作电压、反向饱和电流和最高工作频率。 11、稳压二极管的主要参数有稳定电压、稳定电流和动态电阻。 12、图1-1-1所示电路中，二极管V1、V2均为硅管，当开关S与M 相接时，A点的电位为 无法确定V,当开关S与N相接时，A点的电位为0 V. 13图1-1-2所示电路中，二极管均为理想二极管，当开关S打开时，A点的电位为10V 、 流过电阻的电流是4mA ；当开关S闭合时，A点的电位为0 V，流过电阻的电流为2mA 。 14、图1-1-3所示电路中，二极管是理想器件，则流过二极管V1的电流为0.25mA ，流过V2的电流为0.25mA ,输出电压U0为+5V。

电子电路基础习题册参考答案第一章

电子电路基础习题册参考答案(第三版)全国中等职业技术 第一章常用半导体器件 §1-1 晶体二极管 一、填空题 1、物质按导电能力得强弱可分为导体、绝缘体与半导体三大类,最常用得半导体材料就是硅与锗。 2、根据在纯净得半导体中掺入得杂质元素不同,可形成N 型半导体与P 型半导体。 3、纯净半导体又称本征半导体,其内部空穴与自由电子数相等。N型半导体又称电子型半导体,其内部少数载流子就是空穴;P型半导体又称空穴型半导体,其内部少数载流子就是电子。 4、晶体二极管具有单向导电性,即加正向电压时,二极管导通,加反向电压时,二极管截止。一般硅二极管得开启电压约为0、5 V,锗二极管得开启电压约为0、1 V;二极管导通后,一般硅二极管得正向压降约为0、7 V,锗二极管得正向压降约为 0、3 V。 5、锗二极管开启电压小,通常用于检波电路,硅二极管反向电流小,在整流电路 及电工设备中常使用硅二极管。 6、稳压二极管工作于反向击穿区,稳压二极管得动态电阻越小,其稳压性能好。

7在稳压电路中,必须串接限流电阻,防止反向击穿电流超过极限值而发生热击穿损坏稳压管。 8二极管按制造工艺不同,分为点接触型、面接触型与平面型。 9、二极管按用途不同可分为普通二极管、整流二极管、稳压二极管、 开关、热敏、发光与光电二极管等二极管。 10、二极管得主要参数有最大整流电流、最高反向工作电压、反向饱与电流与最高工作频率。 11、稳压二极管得主要参数有稳定电压、稳定电流与动态电阻。 12、图1-1-1所示电路中,二极管V1、V2均为硅管,当开关S与M相接时,A点得电位为 无法确定V,当开关S与N相接时,A点得电位为0 V、 13图1-1-2所示电路中,二极管均为理想二极管,当开关S打开时,A点得电位为10V 、 流过电阻得电流就是4mA ;当开关S闭合时,A点得电位为0 V,流过电阻得电流为2mA 。 14、图1-1-3所示电路中,二极管就是理想器件,则流过二极管V1得电流为0、25mA ,流过V2得电流为0、25mA ,输出电压U0为+5V。

模拟电子技术课程习题 第一章 常用半导体器件

第一章 常用半导体器件 1.1 在晶体管放大电路中，测得晶体管的各个电极的电位如图1.1所示，该晶体管的类型是[ ] A. NPN 型硅管B. PNP 型硅管 C. NPN 型锗管 图D. PNP 型锗管 1.3V b 1.2 某三极管各个电极的对地电位如图1-2所示，可判断其工作状态是[ ] A. 饱和 B. 放大 C. 截止 图1.2 D. 已损坏 1.3 在如图1.3所示电路中，当电源V=5V 时，测得I=1mA 。若把电源电压调整到V=10V ，则电流的大小将是 [ ] A.I=2mA B.I<2mA C.I>2mA D.不能确定 图1.3 1.4 在如图1-7所示电路中电源V=5V 不变。当温度为20O C 时测得二极管的电压 U D =0.7V 。当温度上生到为40O C 时,则U D 的大小将是 [ ] A.仍等于0.7V B.大于0.7V C. 小于0.7V D.不能确定 图1.4 1.5 在杂质半导体中，多数载流子的浓度主要取决于 [ ] A.温度 B.掺杂工艺 C.杂质浓度 D.晶体缺陷 1.6 对于同一个晶体管而言，反向电流最小的是 [ ] A.I CBO B.I CES C.I CER D.I CEO 1.7二极管的主要特性是 [ ] A.放大特性 B.恒温特性 C.单向导电特性 D.恒流特性

1.8 温度升高时，晶体管的反向饱和电流I CBO 将[ ] A.增大 B.减少 C.不变 D.不能确定 1.9 下列选项中，不属三极管的参数是[ ] A.电流放大系数β B.最大整流电流I F C.集电极最大允许电流I CM D.集电极最大允许耗散功率P CM 1.10 温度升高时，三极管的β值将 A.增大 B.减少 C.不变 D.不能确定 1.11 在N型半导体中，多数载流子是[ ] A. 电子 B. 空穴 C.离子 D. 杂质 1.12 下面哪一种情况二极管的单向导电性好[ ] A.正向电阻小反向电阻大 B. 正向电阻大反向电阻小 C.正向电阻反向电阻都小 D. 正向电阻反向电阻都大 1.13 在如图1.13所示电路中，设二极管的正向压降可以忽略不计，反向饱和 电流为0.1 mA, 反向击穿电压为25V且击穿后基本不随电流而变化，这时电路中的电流I等于[ ] A. 0.1 mA B. 2.5mA C. 5mA D. 15 mA 图 1.13 1.14 在P型半导体中，多数载流子是[ ] A. 电子 B. 空穴 C.离子 D. 杂质 1.15 下列对场效应管的描述中，不正确的是[ ] A 场效应管具有输入电阻高，热稳定性好等优点； B 场效应管的两种主要类型是MOSFET和JFET； C 场效应管工作时多子、少子均参与导电； D 场效应管可以构成共源、共栅、共漏这几种基本类型的放大器。 1.16 在放大电路中，场效应管应工作在漏极特性的[ ] A.可变电阻区 B.截止区 C.饱和区 D.击穿区 1.17 表征场效应管放大作用的重要参数是[ ] A.电流放大系数β B.跨导g m =ΔI D /ΔU GS C.开启电压U T D.直流输入电阻R GS

《化合物半导体器件》教学大纲

《化合物半导体器件》教学大纲 课程编号：MI3321038 课程名称：化合物半导体器件英文名称：Compound Semiconductor Devices 学时：30 学分：2 课程类型：任选课程性质：专业课 适用专业：微电子学先修课程：半导体物理，半导体物理导论, 集成电路设计与集成系统双极型器件物理，场效应器件物理 开课学期：6 开课院系：微电子学院 一、课程的教学目标与任务 目标：化合物半导体器件的基本特征是异质结构和高速/高性能。本课程的目标是掌握半导体异质结的基本理论与特性，掌握半导体异质结器件的基本物理特性与电学特性，为新型高速/高性能器件与集成电路的研究、设计奠定理论基础。 任务：以化合物半导体材料、异质结基本物理特性与基本电学特性为基础，熟悉半导体异质结器件的基本类型与结构，掌握异质结双极型器件、异质结场效应器件、异质结量子器件、异质结光电子器件等的基本理论、原理、高速/高性能机理。了解化合物材料、异质结、异质结器件在集成电路中的应用及其当前的技术发展。半导体材料涉及GaAs、SiGe/Si、SiC和GaN。 二、本课程与其它课程的联系和分工 本课程的基础是半导体物理，半导体物理导论、双极型器件物理、场效应器件物理。 三、课程内容及基本要求 (一) 化合物半导体器件物理基础 (6学时) 具体内容：化合物半导体材料和器件的基本特征，异质结，异质结材料技术，应变材料基本属性，异质结基本物理特性，异质结基本电学特性。 1.基本要求 （1）了解化合物半导体材料和器件的基本特征。 （2）了解化合物半导体材料技术。 （3）掌握应变材料和异质结基本属性。 （4）掌握异质结基本物理特性，异质结基本电学特性。 2.重点、难点 重点：应变材料和异质结基本属性；异质结基本物理特性，异质结基本电学特性。 难点：应变材料和异质结基本属性。 3.说明：应变材料和异质结技术是当前高速/高性能器件与集成电路研究发展的重点和热点。 （二）异质结双极晶体管(6学时)

化合物半导体(compoundsemiconductor)百科全说物理篇

化合物半导体（compoundsemiconductor）百科 全说物理篇 当今社会是一个高速发展的信息社会。生活在信息社会，就要不断地接触或获取信息。如何获取信息呢?阅读便是其 中一个重要的途径。据有人不完全统计，当今社会需要的各种信息约有80%以上直接或间接地来自于图书文献。这就说 明阅读在当今社会的重要性。还在等什么，快来看看这篇化合物半导体(compoundsemiconductor)百科全说物理篇吧~ 化合物半导体（compoundsemiconductor） 化合物半导体(compoundsemiconductor) 通常所说的化合物半导体多指晶态无机化合物半导体，它是由两种或两种以上的元素化合而成的半导体材料。化合物半导体数量最多，研究出的约有一千多种。其中研究较多的二元化合物半导体是GaAs、GaN、GaP、InP、InSb、InSn、CdS 和SiC等。Ⅲ-Ⅴ族二元化合物半导体GaAs、InP和InSb等与Ge、Si相比，它们迁移率高，可作高频、高速器件，禁 带宽度大，利于做高温、大功率器件，能带结构是直接跃迁型，因此转换成光的效率高，可作半导体激光器和发光二极管等。GaAs用于微波器件、激光器件和红外光源以及作其他外延材料的衬底;GaN是重要的宽带隙半导体材料，可用于制造兰光发光二极管、兰光发射激光器及紫外光探测器等，并在耐高温的MOSFET器件等方面具有重要的应用价值。GaP主

要用于发光二极管;InP用以制造发光二极管和微波体效应二极管;InAs和Insb主要用于霍尔器件;InSn用于制作红外探测器;CdS适宜于制造光电器件;SiC也主要用于发光二极管。在集成电路方面GaAs也日益成熟，其运算速度比硅集成电路要快得多。由两种或两种以上的Ⅲ-Ⅴ族化合物还能形成多元化合物(也称混晶或固溶体半导体)。它们的能带结构和禁宽度随组分而变化，从而为Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体材料的应用开辟了更宽广的领域。目前应用较多的是 GaAs1-xPx、Ga1-xAlxAs、InxGa1-xAs、In1-xGaxP和 Hg1-xCdxTe(0 这篇化合物半导体(compoundsemiconductor)百科全说物理篇，你推荐给朋友了么?