杨 静，杨洪星

（中国电子科技集团公司第四十六研究所，天津300220）

几种典型宽禁带半导体材料的制备及发展现状

杨 静，杨洪星

（中国电子科技集团公司第四十六研究所，天津300220）

阐述了SiC、GaN、AlN等几种宽禁带半导体材料的特性、突出优势及其重要应用；并对比分析了目前制备这些半导体材料的主流方法及其各自存在的利与弊；最后讨论了宽禁带半导体材料的发展现状及其存在的挑战。

碳化硅；氮化镓；宽禁带半导体；器件

随着半导体技术的不断发展，传统半导体材料如Si和GaAs受其自身固有性质的限制已经难以满足各器件领域进一步深入应用的需要。在电子材料向大尺寸、多功能化及集成化发展的大趋势下，第三代宽禁带半导体材料如SiC、GaN、AlN、金刚石、ZnSe等由于具有更高的击穿电场、热导率、电子迁移率、电子饱和漂移速度等优势（见表1［1］）在高温、高频、抗辐射、短波长发光等领域展现出巨大的应用潜力［2-4］。

在光电领域，SiC材料倍受青睐；在微波器件领域，器件已由硅双极型晶体管、场效应管、LDMOS管向以SiC、GaN为代表的宽禁带功率管过

表1　传统与三代宽禁带半导体材料的物理特性参数对比

图1　半导体材料在多个领域的应用

1　第三代宽禁带半导体材料的主流制备方法及存在的主要问题

传统半导体材料Si、GaAs的制备包括CZ、FZ、LEC、HB、VB、VCZ等方法，第三代半导体材料的生长条件比较苛刻，上述传统方法较难制备出理想单晶。为此，科研工作者付出大量努力，在此重点介绍目前研究及应用比较多的SiC、GaN、AlN的生长及制备过程。

SiC是目前研究的宽禁带半导体材料中较为成熟的一种，但其仍没有得到广泛的应用，主要原因则是受其制备技术的限制。已制备的SiC大都存在尺寸小、缺陷多等问题难以达到器件的使用要求。就SiC的制备而言，最开始是采用升华法进行制备；接着研究较多的是通过外延法来获得SiC，此时所用到的外延生长方法主要有液相外延法、化学气相外延法、分子束外延等。由于SiC制备要求条件比较严格，因而对材料科学工作者而言制备出高质量的SiC仍是一个比较大的挑战。目前商业化用SiC几乎都是用物理气相传输法（PVT）制备的，这种方法亦被称为改良的Lely法［3］，图2为其生长示意图。

该方法的基本原理是将粉末状的SiC加热到高温状态一般为2 000℃以上，高温升华后气相成分在浓度梯度的作用下进行物质传输，最后在温度较低的碳化硅籽晶表面重结晶，促使晶体长大。此种方法虽研究较多，但也存在一定不足之处：一方面，其生长速度较慢；另一方面，对生长环境及原材料要求比较高，例如气体流场分布、SiC粉源颗粒的纯度及大小等。此外，由于此种生长方法是在高温下制备的，因此温度的合理控制在晶体生长过程中也极为关键［5］。温度控制不当直接导致大量缺陷的产生，因此在晶体生长过程中对其温度进行实时监测尤为重要，但实际情况是苛刻的生长条件给工艺参数的实时监控造成困难。除PVT外，其它方法诸如外延、溶剂激光加热浮区生长技术等也是制备SiC的方法。

图2　PVT法生长SiC晶体示意图

另一种应用频率较高的宽禁带半导体材料为GaN，其在光电子与微电子器件制造领域展现出独特的优势。大量的科研工作者对GaN体单晶的制备进行了积极地探索，但结果却不尽如人意，主要原因有两方面，一是GaN的熔点很高，另一方面是其饱和蒸气压很高。现在报道较多的GaN单晶多为薄膜状，且制备方法各异。氢化物气相外延技术［6］（HVPE）是使用最早的制备GaN单晶薄膜的技术，该技术主要是通过HCl气体与高温金属Ga反应生成的GaCl3在衬底上与NH3反应制得GaN，其制备装置示意图如图3所示。此种方法的优点是生长速度快并且所得GaN薄膜位错密度很低；不足之处表现为高温反应的固有缺陷，反应设备容易受到原料的腐蚀，难以精确控制薄膜的生长。另一种较有效也是目前应用最多的是金属有机化学气相沉积技术（MOCVD）［7］。该方法主要是用氢气将金属有机化合物和气态非金属氢化物经过开关网络送入反应室加热的衬底上，通过热分解反应而生长出外延层的技术。该方法的主要不足之处是原料有毒易造成污染，高温生长亦会导致材料纯度的降低。此外，分子束外延（MBE）、金属有机物气相外延（MOVPE）、氨热法［8］等也是制备GaN薄膜的有效方法。

图3　HVPE法制备GaN装置示意图

氮化铝（AlN）也是一种新型的宽禁带半导体材料，除可用于高温、高频、大功率电子器件外，还可以用于制作紫外、深紫外发光与探测器件。目前对AlN的研究相对较少，主要问题是受其制备的限制。类似于SiC，物理气相传输（PVT）是目前制备AlN晶体常用的方法［9］。AlN物料在高温分解升华后在低温区结晶形成AlN晶体。该方法的不足之处是在1 800℃的高温下AlN才会升华，而重结晶时对衬底的表面状态要求又极高，所以衬底材料很大程度上限制了AlN晶体的制备。

2　第三代宽禁带半导体材料的发展现状及存在的挑战

基于三代宽禁带半导体材料所具有的独特优势及其在多个领域展现出的巨大应用潜力，许多发达国家如日、美等已经投入大量人力、物力及财力对其展开深入研究并取得明显成果。美国Cree公司掌握世界上最先进的SiC制备工艺、AIMI公司成功研制出用于军用雷达及商用宽带通信领域GaN分立器件。在GaN研究方面，美国政府投资750万美元给Kyma公司资助其研究50 mm（2英寸）及100 mm（4英寸）GaN体单晶的生长工艺。与美国相比，日本在GaN的研究方面较具优势，其研究集中在光电子和高频电子器件方面；在SiC方面，日本也不甘落后正在加紧步伐研究，许多公司如东芝、松下等正在积极开发功率SiC器件。此外，欧洲的一些国家如德国的西门子、法国的汤姆逊、瑞典的爱立信等也在积极的展开对SiC的研究。相比之下，国内对SiC的研究起步较晚，制备的SiC尺寸较小且微管密度及位错密度较国外大，而对GaN的研究无论在材料还是在器件应用方面国内均取得了一些初步成果。目前国内对于AlN的研究相对较少，美国的Crystal IS公司的PVT法制备AlN技术相对成熟，其它国家也正在加紧对AlN的深入研究。

半导体材料是制作晶体管、集成电路、电力电子器件、光电子器件的重要基础材料，其研究及应用已成为衡量一个国家经济发展、科技进步和国防实力的重要标志。随着半导体器件由同质结、异质结占据主导地位的局面逐渐转向基于量子阱、量子线、量子点器件的设计与制造，半导体材料的发展方向也将发生变化，呈现传统一、二代半导体材料发展的同时，加速发展宽禁带三代半导体材料的趋势。总而言之，三代宽禁带半导体材料的出现有效弥补了传统一、二代半导体材料在高温、高频等领域的不足，能够较好适应半导体技术飞速发展的需要。但受时间的限制，到目前为止，三代半导体材料还难以完全取代前两代半导体材料，主要原因如下：首先，在单晶制备方面，与传统半导体材料Si相比，三代半导体单晶制备要求条件较为苛刻、制备难度高；其次，第三代半导体材料中Ⅲ族氮化物具有纤锌矿结构，其内部往往存在着强大的自发极化及压电极化场；再次，Ⅲ族氮化物多有较大的光折射率，产生的光在界面处易发生全反射，难以反射到空气中。总之，第三代半导体材料自身存在独特的优越性但其得到广泛应用又存在复杂性，因而对其进行深入研究及应用对材料工作者而言既是机遇又是挑战。

［1］ 王莉，朱萍.新型宽带SiC功率器件在电力电子中的应用［J］.南京航空航天大学学报，2014，46（4）：524-532.

［2］ J.Cui，H.Xiao，J.Liu，et al.Morphology and growth mechanism of gallium nitride nanotowers synthesized by metal-organic chemical vapor deposition［J］.Journal of Alloys and Compounds，2013，563（24）：72-76.

［3］ J.G.Kim，E.J.Jung，Y.Kim，et al.Quality improvement of single crystal 4H SiC grown with a purified β-SiC powder source［J］.Ceramics International，2014，40（3）：3953-3959.

［4］ L.Jiang，S.Zuo，W.Wang，et al.Role of Ni in the controlled growth of single crystal AlN triangular microfibers：Morphology evolvement，growth kinetics and photoluminescence［J］.Journal of Crystal Growth，2011，318（1）：1089-1094.

［5］ K.Kang，T.Eun，M.Jun，et al.Governing factors for the formation of 4H or 6H-SiC polytype during SiC crystal growth：An atomistic computational approach［J］. Journal of Crystal Growth，2014，389（2）：120-133.

［6］ M.Imanishi，Y.Todoroki，K.Murakami，et al.Dramatic reduction of dislocations on a GaN point seed crystal by coalescence of bunched steps during Na-flux growth ［J］.Journal of Crystal Growth，2015，427（9）：87-93.

［7］ J.Cui，H.Xiao，J.Liu，et al.Morphology and growth mechanism of gallium nitride nanotowers synthesized by metal-organic chemical vapor deposition［J］.Journal of Alloys and Compounds，2013，563（24）：72-76.

［8］ S.Pimputkar，S.Kawabata，J.S.Speck，et al.Improved growth rates and purity of basic ammonothermal GaN ［J］.Journal of Crystal Growth，2014，403（403）：7-17.

［9］ C.Guguschev，A.Dittmar，E.Moukhina，et al.Growth of bulk AlN single crystals with low oxygen content taking into account thermal and kinetic effects of oxygen-related gaseous species［J］.Journal of Crystal Growth，2012，360（1）：185-188.

Preparation and Developing Status of Several Wide Band-gap Semiconductor Materials

YANG Jing，YANG Hongxing

（The 46th Research Instituted of CETC，Tianjin 300220，China）

In this paper，the outstanding characteristic，advantage and application of several wide band-gap semiconductor materials such as SiC，GaN and AlN were described firstly.Then the preparation methods adopted by most of the manufacturers and their advantages and disadvantages were analyzed.At last，the development status and challenges of SiC，GaN and AlN were respectively discussed.

Silicon carbide；Gallium nitride；Wide band-gap semiconductor；Device

TN304.05

A

1004-4507（2016）08-0020-04

2016-06-02渡；在电力电子应用领域，SiC与GaN功率器件亦展现出比常规功率半导体器件更突出优越的性能。图1展示了第三代宽禁带半导体材料在光电、集成电路等领域的应用。鉴于三代半导体材料的巨大潜在应用价值，对其性能及制备的研究意义重大。