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碳化硅(silicon carbide,SiC)作为第三代半导体材料,具有比硅(Si)更优越的性能。不仅禁带宽度较大,还兼具热导率高、饱和电子漂移速率高、抗辐射性能强、热稳定性和化学稳定性好等优良特性,在高温、高频、高功率电力电子器件和射频器件中有独特的应用优势,使得其在轨道交通、新能源汽车、高压电网、5G通信、航空航天以及国防军事等领域具有广阔的应用前景。作为目前半导体材料领域的研究热点,科研人员从SiC晶体的生长工艺、生长设备、掺杂机理、原料及衬底外延技术等各个方面进行了全面研究,使SiC科研领域呈现出百花齐放的态势。

小编在此精心整理了2021年以来发表在《人工晶体学报》上的有关SiC晶体的论文,涉及生长设备的热场设计、晶体生长方法、掺杂、薄膜外延技术等热点内容,集中了清华大学、中科院物理所、浙江大学、山东大学、上海理工大学等国内众多重要研发团队的最新成果,希望给您的研究带来更多启迪!

大尺寸电阻加热式碳化硅晶体生长热场设计与优化

人工晶体学报,2022,51(3):371-384.

作者:卢嘉铮,张辉,郑丽丽,马远,宋德鹏

单位:清华大学航天航空学院;清华大学工程物理系;中电化合物半导体有限公司;山东力冠微电子装备有限公司

摘要: 碳化硅(SiC)被认为是最重要的宽禁带半导体材料之一,具有禁带宽度大、击穿电场高、热导率高、电子饱和速率高、抗辐射能力强等优越性质。基于SiC材料制备的半导体器件不仅能在更高的温度下稳定运行,而且在高电压、高频率状态下也具有更高的可靠性。近20年来,随着材料生长技术、制造工艺与器件物理的迅速发展,SiC材料及器件在雷达、5G通信、电动汽车等领域获得了广泛应用,对国防工业发展、国家信息安全、国民经济建设均产生了极其重要的影响。在以SiC为基础的大功率半导体器件产业链中,高质量的SiC单晶制备及其产业化是最为重要的一环。本文针对半绝缘SiC单晶衬底材料国内外发展进行了分析归纳,重点介绍了山东大学半绝缘SiC的研究历程、现状,并对研究和产业发展、存在的挑战做了论述。

关键词: SiC单晶衬底;微管密度;6英寸;半绝缘


半导体碳化硅湿法腐蚀工艺研究


人工晶体学报,2022,51(2):333-343.

作者:张序清,罗昊,李佳君,王蓉,杨德仁,皮孝东

单位:浙江大学硅材料国家重点实验室材料科学与工程学院;浙江大学杭州国际科创中心

摘要:碳化硅(SiC)具有禁带宽度大、电子饱和漂移速度高、击穿场强高、热导率高、化学稳定性好等优异特性,是制备高性能功率器件等半导体器件的理想材料。得益于工艺简单、操作便捷、设备要求低等优点,湿法腐蚀已作为晶体缺陷分析、表面改性的常规工艺手段,应用到了SiC晶体生长和加工中的质量检测以及SiC器件制造。根据腐蚀机制不同,湿法腐蚀可以分为电化学腐蚀和化学腐蚀。本文综述了不同湿法腐蚀工艺的腐蚀机理、腐蚀装置和应用领域,并展望了SiC湿法腐蚀工艺的发展前景。

关键词:碳化硅;湿法腐蚀;电化学腐蚀;化学腐蚀;晶体缺陷;晶体表面


P掺杂6H-SiC的第一性原理研究

人工晶体学报,2022,51(1):49-55.

作者:黄思丽,谢泉,张琴

单位:贵州大学大数据与信息工程学院,新型光电子材料与技术研究所

摘要:采用基于密度泛函理论的第一性原理赝势平面波法,计算未掺杂与P替换Si、C以及P间隙掺杂6H-SiC的电子结构与光学性质。结果显示未掺杂的6H-SiC是带隙为2.052 eV的间接带隙半导体,P替换Si、C掺杂以及P间隙掺杂6H-SiC带隙均减小,分别为1.787 eV、1.446 eV和0.075 eV,其中P间隙掺杂带隙减小幅度最大。P替换掺杂6H-SiC使得费米能级向导带移动并插入导带中,呈n型半导体。P间隙掺杂价带中的一条能级跨入费米能级,因此在禁带中出现一条P 3p杂质能级,P间隙掺杂6H-SiC转为p型半导体。替换与间隙掺杂使得6H-SiC的介电函数实部增大,介电函数虚部、吸收光谱、反射光谱与光电导率红移,其中P间隙掺杂效果最佳。通过P掺杂材料的电导率增强,对红外波段的利用率明显提高,为6H-SiC在红外光电性能方面的应用提供有效的理论依据。

关键词:间隙掺杂;6H-SiC;带隙;介电函数;第一原理;电子结构;光学性质


高温溶液法生长SiC单晶的研究进展

人工晶体学报,2022,51(1):3-20.

作者:王国宾,李辉,盛达,王文军,陈小龙

单位:中国科学院物理研究所;中国科学院大学;东莞松山湖材料实验室

摘要:碳化硅(SiC)作为第三代半导体材料,不仅禁带宽度较大,还兼具热导率高、饱和电子漂移速率高、抗辐射性能强、热稳定性和化学稳定性好等优良特性,在高温、高频、高功率电力电子器件和射频器件中有很好的应用潜力。高质量、大尺寸、低成本SiC单晶衬底的制备是实现SiC器件大规模应用的前提。受技术与工艺水平限制,目前SiC单晶衬底供应仍面临缺陷密度高、成品率低和成本高等问题。高温溶液生长(high temperature solution growth, HTSG)法生长SiC单晶具有晶体结晶质量高、易扩径、易实现p型掺杂等独特的优势,有望成为大规模量产SiC单晶的主要方法之一,目前该方法的主流技术模式是顶部籽晶溶液生长(top seeded solution growth, TSSG)法。本文首先回顾总结了TSSG法生长SiC单晶的发展历程,接着介绍和分析了该方法的基本原理和生长过程,然后从晶体生长热力学和动力学两方面总结了该方法的研究进展,并归纳了该方法的优势,最后分析了TSSG法生长SiC单晶技术在未来的研究重点和发展方向。

关键词:宽禁带半导体;碳化硅;高温溶液法;顶部籽晶溶液法;助熔剂;晶体生长


SiC衬底上β-Ga2O3薄膜生长及p-SiC/n-β-Ga2O3异质结光伏特性

人工晶体学报,2021,50(12):2219-2224.

作者:罗建仁,王相虎,樊天曜,金嘉妮,张如林

单位:上海电机学院材料学院

摘要:本文采用脉冲激光沉积(PLD)技术在p型4H-SiC衬底上,制备出沿(403)择优生长的β-Ga2O3薄膜。结果表明,衬底生长温度对β-Ga2O3薄膜的形貌、结构、组分,以及生长机理都有重要影响。当生长温度由300 ℃升高至500 ℃时,薄膜结晶质量随生长温度升高而提高,当温度进一步升高到600 ℃时,薄膜结晶质量变差,这是由于在相对低温(500 ℃以下)阶段,生长温度越高,沉积在衬底上原子的动能越大,越容易迁移,使得β-Ga2O3薄膜主要按照二维生长模式进行生长,薄膜结晶质量提高,表现为随着生长温度升高,粗糙度降低。但当温度上升到600 ℃时,由于4H-SiC衬底和β-Ga2O3薄膜之间的热膨胀系数存在差异,导致薄膜生长由主要以二维生长模式向三维岛状演变。基于p-4H-SiC/n-β-Ga2O3构筑的异质结太阳电池,其标准测试条件下光电转换效率达到3.43%。

关键词:β-Ga2O3;4H-SiC衬底;脉冲激光沉积;生长温度;异质结太阳能电池;光电转换效率


基于碳化硅衬底的宽禁带半导体外延

人工晶体学报, 2021,50(9):1780-1795.

作者:开翠红,王蓉,杨德仁,皮孝东

单位:浙江大学材料科学与工程学院,硅材料国家重点实验室;浙江大学杭州国际科创中心

摘要:宽禁带半导体具备禁带宽度大、电子饱和飘移速度高、击穿场强大等优势,是制备高功率密度、高频率、低损耗电子器件的理想材料。碳化硅(SiC)材料具有热导率高、化学稳定性好、耐高温等优点,在SiC衬底上外延宽禁带半导体材料,对充分发挥宽禁带半导体材料的优势,并提升宽禁带半导体电子器件的性能具有重要意义。得益于SiC衬底质量持续提升及成本不断降低,基于SiC衬底的宽禁带半导体电子市场占比呈现逐年增加的态势。在SiC衬底上外延生长高质量的宽禁带半导体材料是提高宽禁带半导体电子器件性能及可靠性的关键瓶颈。本文综述了近年来国内外研究者们在SiC衬底上外延SiC、氮化镓(GaN)、氧化镓(Ga2O3)所取得的研究进展,并展望了SiC衬底上宽禁带半导体外延的发展及应用前景。

关键词: SiC衬底;宽禁带半导体;异质外延;同质外延;晶格失配;GaN;Ga2O3;缺陷调控


碳化硅单晶生长用高纯碳化硅粉体的研究进展

人工晶体学报, 2021,50(8):1562-1574.

作者:罗昊,张序清,杨德仁,皮孝东

单位:浙江大学,硅材料国家重点实验室,材料科学与工程学院;浙江大学杭州国际科创中心,先进半导体研究院

摘要:碳化硅(SiC)以其宽带隙、高临界击穿场强、高热导率、高载流子饱和迁移率等优点,被认为是目前较具发展前景的半导体材料之一。近年来,物理气相传输(PVT)法在制备大尺寸、高质量SiC单晶衬底方面取得了重大突破,进一步推动了SiC在高压、高频、高温电子器件领域的应用。SiC粉体是PVT法生长SiC单晶的原料,其纯度会直接影响SiC单晶的杂质含量,从而影响SiC单晶的电学性质,其中生长高质量的半绝缘SiC单晶更是直接受限于SiC粉体中N元素的含量。因此,合成高纯的SiC粉体是PVT法生长高质量SiC单晶的关键。本文主要介绍了高纯SiC粉体的合成方法及研究现状,重点对气相法和固相法合成高纯SiC粉体的优缺点进行了评述,并提出了今后高纯SiC粉体合成的发展方向。

关键词:单晶;高纯;SiC粉体;半导体;物理气相传输法


杂质和缺陷对SiC单晶导热性能的影响

人工晶体学报,2021,50(5):816-824.

作者:綦正超,许庭翔,刘学超,王丁

单位:上海理工大学材料科学与工程学院;中国科学院上海硅酸盐研究所

摘要:目前关于SiC单晶室温的导热性能,以及导热特性随温度的变化方面的研究报道还存在较大的差异,有关SiC单晶热导率的研究主要是沿c轴<0001>晶向或者垂直于c轴的某一晶向进行的,无法有效地解释热导率的各向异性。本文研究了4H-SiC和6H-SiC单晶<1-100><11-20><0001> 三个不同晶向上热导率以及其随温度的变化。对SiC单晶切割分别得到沿<1-100><11-20><0001>晶向的样品,尺寸为ø12.7 mm×3 mm,利用闪光法对样品测试得到热扩散系数,通过计算获得了SiC单晶不同晶向的热导率数值,采用辉光放电质谱仪(GDMS)和扫描电子显微镜(SEM)进行了杂质和缺陷表征。实验结果表明,SiC晶体<1-100><11-20><0001>三个晶向的热导率随温度升高而下降,沿<0001>晶向的SiC样品热导率最小;含有较高杂质离子浓度的6H-SiC样品热导率高于4H-SiC样品;缺陷相比杂质对SiC晶体导热性能影响更大,缺陷是SiC热导率具有各向异性的主要原因。

关键词:碳化硅单晶;热导率;杂质;缺陷;晶向;结晶质量


晶格畸变检测仪研究碳化硅晶片中位错缺陷分布

人工晶体学报, 2021,50(4):752-756.

作者:


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