薄膜半导体 SiC 半导体在薄膜物理制备中的研究

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【关键词】SiC 薄膜结构性质物理汽相沉

积

1 引言

SiC 材料是一种宽带隙半导体材料, 具有

禁带宽度大、击穿电压高、热导率高、电子饱

和漂移速度高、电子迁移率高、热导率高、介

电常数小、抗辐射能力强、化学稳定性好等优

良的物理化学性质, 还可以与Si 集成电路工艺

兼容, 成为制作高温、高频、大功率、抗辐射、

不挥发存储器件及光电集成器件的优选材料。

近年来，人们对SiC 材料的制备工艺，

结构特点和器件应用进行了广泛深入的研究，

但是由于SiC 单晶价格昂贵，而且制备难度较

大，因此SiC 薄膜的制备成为研究的重点。目

前SiC 薄膜有多种物理制备方法，主要有磁控

溅射法、脉冲激光沉积、电子束蒸发和分子束

外延。

2 SiC薄膜的物理制备工艺研究

物理汽相沉积是利用某种物理过程，如

物质的热蒸发受到粒子轰击时物质的表面原子

的溅射现象，实现物质原子从源物质到薄膜的

可控转移过程。物理气相沉积主要包括磁控溅

射法、脉冲激光沉积法、电子束蒸发和分子束

外延法。

2.1 磁控溅射法

磁控溅射法镀膜是利用直流或高频电场

使惰性气体（Ar）电离，在电场作用下电离

产生的正离子高速轰击阴极的靶材，使靶材

的原子或分子溅射出来，然后沉积在基片上

形成薄膜。魏艳君[3] 等人用磁控溅射法对

SiC 薄膜进行了研究，实验以电阻率为5Ω•cm

的Si 为衬底，背底真空度为1.5×10-3pa 溅射

文/艾学正范梦慧谢泉王凯

作为新一代的半导体材料，

SiC 具有优良的化学物理性质，因

此，SiC 薄膜的制备工艺也越来越

受到人们的关注。本文主要对当

前SiC 薄膜的物理制备工艺进行

详细的研究介绍，并进一步总结

讨论了各种制备工艺的优缺点。

摘要

气压为2.0pa，靶基距为55mm，溅射功率为

60~70W，溅射时保持衬底的温度为400℃。

分析实验数据发现，在120W 的溅射功率下制

备的SiC 薄膜质量最好。

2.2 脉冲激光沉积

脉冲激光沉积(PLD) 的原理是由激光器

激发出来的高功率密度的脉冲激光打在靶材表

面，使靶材温度迅速升高并蒸发成离子体到

达靶对面的衬底，最后在衬底上沉积成膜。

脉冲激光沉积溅射出来的粒子动能大，不过结

晶质量高，所需衬底温度低，但是生长大尺寸

的薄膜均匀度很难保证，沉积速率也比较低。

Diegel[4] 等人利用脉冲激光沉积法对SiC 薄膜

进行了研究，以SiC 烧结靶为靶材，在温度为

950℃ ~1200℃的石英玻璃和si 衬底上进行薄

膜生长。实验结果显示，在石英衬底上得到的

SiC 薄膜质量较差，si 衬底上生长出的薄膜具

有很高的取向。

2.3 电子束蒸发

电子束蒸发是在真空环境下利用高能电

子束轰击需要蒸镀的材料，使之融化、汽化、

蒸发，最终沉积在基片表面成膜。由于电子

束蒸发制备薄膜蒸发和沉积的速率高，衬底

与薄膜的结合力较强，所以被广泛应用于薄

膜的生长。潘训刚[5] 等人采用电子束蒸发技

术在单晶si 片上实现了SiC 薄膜的生长，靶

材为98% 的SiC 压片，沉积过程中真空度为

6.7×10-3pa，电子束的强度为30~60mA，沉积

完成后再2.0×10-2pa 的真空度，温度为600℃

和900℃的条件下退火2h，实验结果表明，随

着退火温度的升高，SiC 薄膜的结晶质量变好。

相同退火条件，沉积时间越长，SiC 晶粒的大

小越均匀。

2.4 分子束外延

分子束外延（MBE）是在超高真空的条

件下，精确控制原材料的中性分子束流强度，

当分子束射入到被加热的衬底表面上时，由于

受到表面力场的作用吸附于衬底表面，经过在

表面上的迁移、再排列，最后在衬底上形成

晶核或嫁接到晶格节点上，形成外延薄膜.。

K.Zekentes[6] 等人以Si(100) 为衬底，在工作

压强为10-10mbar 的MBE 系统中对SiC 薄膜

进行了系统的实验研究。首先在725℃完成si

缓冲层的生长，之后进行碳化，结果发现，si

与SiC 的转换温度可限制在600~650℃。

3 结语

SiC 具有良好的物理化学性质，但是制备

方法的缺陷制约了其在相关领域的应用，性能

优异的SiC 薄膜的生长工艺将成为该领域研究

的热点问题。虽然SiC 薄膜的制备技术已经日

趋完善，但是仍然存在一些问题急需解决。磁

控溅射等低温外延生长技术制备的薄膜具有良

好的畴界状态，但是成膜过程难以控制，设备

复杂，成本较高，分子束外延制备的薄膜质量

良好，但是成膜速率较慢。

参考文献

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[4]Diegel M,Falk F,Hergt R,et al.Appl.

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[6]K.Zekentes,R. Callec,Mater.Sci.and

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作者简介

艾学正（1989-），男，河北省衡水市人。现

为贵州大学大数据与信息工程学院工学硕士研

究生。主要研究方向为新型光电子材料。

作者单位

贵州大学大数据与信息工程学院贵州省贵阳

市 550025