第三代半导体材料碳化硅发展历程及制备技术

本文说说碳化硅的那些事。 碳化硅材料的发展 历史 比较久远，1824年瑞典化学家Berzelius在人工生长金刚石的过程中发现了碳化硅SiC。1885年Acheson用焦炭和硅石的混合物以及一定量氯化钠在熔炉中高温加热，制备出了小尺寸碳化硅晶体，但存在大量缺陷。 碳化硅材料的应用始于20世纪初。1907年美国Round制造出第一个碳化硅发光二极管；1920年碳化硅单晶作为探测器用于早期的无线电接收机上。不过因为单晶生长难度较大，碳化硅在很长一段时间内没有很好的应用，到了1955年飞利浦发明了一种采用升华法制备高质量碳化硅的新方法即Lely法，碳化硅材料再次焕发生机。 七八十年代碳化硅的制备及应用实现重大突破。1978年前苏联科学家Tairov等人改良了Lely法，可以获得较大尺寸的碳化硅晶体。1979年第一个碳化硅发光二极管问世；1981年Matsunami发明了在硅衬底上生长碳化硅单晶的方法；1991年美国公司Cree采用升华法生长出碳化硅晶片并实现产业化。 目前碳化硅及其应用呈现出以下几个特点：第一是晶圆尺寸实现大尺寸化，Cree的6英寸碳化硅晶片实现产业化，并积极推进8英寸晶片的产业化。第二晶体缺陷密度不断下降，比如4英寸碳化硅单晶微管密度下降至0.1cm^-2以下，穿透性螺位错和基平面位错密度控制在10^2cm^-2。第三碳化硅基功率器件不断涌现，除了特斯拉和蔚来 汽车 在电动车上使用了SiC-MOSFET，还发展出了SBD、HMET等器件。当然第四点相比硅基半导体的奋起直追，中国在碳化硅第三代半导体上与国外发展水平基本持平，衬底方面天科合达等实现了4英寸的产业化和6英寸的技术突破，并积极向8英寸推进；山东天岳等公司拥有相应的外延生长技术。在器件制造上扬杰 科技 、士兰微等也积极推进碳化硅基功率半导体的产业化。 碳化硅材料的特性之一就是拥有超过200多种晶体结构，每一种结构对应的电学性能等存在一定差异。目前主要是六角4H、六角6H和菱方15R等，其中4H和6H实现产业化： 总体上相比氮化镓和硅等，碳化硅材料拥有最高的热导率、较高的带隙、电子迁移率和饱和电子速率等，可以制造能在高温、高压、更高功率和更高工作频率等情形下的器件。 在具体应用方面，碳化硅主要实现了以下应用：第一是碳化硅为衬底制备高亮度和超高亮度蓝绿InGaN铟镓氮LED；第二是实现了KV级高压MOSFET器件制造，比如罗姆半导体生产的1200V、35A的SiC-MOSFET；第三是用于300V到1200V甚至3300V等更高压的碳化硅基肖特基势垒管SBD的制造；第四是在半绝缘碳化硅衬底上制备氮化镓、铝镓氮AlGaN高电子迁移率晶体管HEMT；第五是在SiC-IGBT上有所突破，实现了P沟道IGBT的制造。 在碳化硅材料制备上，1955年飞利浦提出了Lely法，也称升华法。Lely法的基本原理是：在空心圆筒状石墨坩埚中（最外层石墨坩埚，内置多孔石墨环），将具有工业级纯度的碳化硅粉料投入坩埚与多孔石墨环之间加热到2500度，碳化硅在此温度下分解与升华，产生一系列气相物质比如硅单晶、Si2C和SiC2等。由于坩埚内壁与多孔石墨环之间存在温度梯度，这些气相物质在多孔石墨环内壁随机生成晶核。总的来说Lely法产率低，晶核难以控制，而且会形成不同结构，尺寸也有限制。 目前碳化硅材料制备多采用改进Lely法、高温CVD法和溶液法，其中以改进Lely法为主流。 改进Lely法也称物理气相传输法PVT，是前苏联科学家Tairov和Tsvetkov于1978年提出的。改进Lely法使用了工作频率10-100KHz的中频感应加热单晶炉，在生长过程中加入籽晶用于控制晶核和晶向： 在改进Lely法中碳化硅单晶生长主要经历低温高真空阶段、高压升温阶段、高压保温成核阶段、降压生长阶段、恒压恒温生长阶段和升压冷却阶段等六个阶段。当然在具体生长过程中，为了制备符合要求的碳化硅单晶，降低微管、位错密度等缺陷，会对籽晶的籽晶面等适当微调，在此不再展开。 碳化硅单晶有绝缘型、半绝缘型之分，按照掺杂类型还有P型掺杂和N型掺杂之分，无形中提升了碳化硅的制备难度。比如制备功率器件的是N型4H-SiC衬底，器件要求衬底电阻率小于20毫欧姆*厘米，制备低电阻率的N型4H-SiC常用高浓度N掺杂，但随着掺杂浓度提高，单晶中位错密度会升高。Kato等人提出的氮、铝共掺杂技术制备出了低电阻率的N型4H-SiC单晶，所用的单晶炉有两套加热系统，其中上部加热系统与普通Lely法相同，主要对SiC原料加热并为单晶生长提供合适的温度；下部加热系统为铝原料加热。这样通过对生长压力、温度等参数调整，可以实现有效的氮、铝共掺杂。 碳化硅的外延主要采用化学气相沉积CVD，以后再说。

LED电子显示屏是一种通过控制半导体发光二极管的显示方式，是由几万--几十万个半导体发光二极管像素点均匀排列组成。它利用不同的材料可以制造不同色彩的LED像素点，以显示文字、图形、图像、动画、行情、视频、录像信号等各种信息的显示屏幕。目前应用最广的是红色、绿色、黄色。而蓝色和纯绿色LED的开发已经达到了实用阶段。

LED电子显示屏历史进程：

六十年代未，发展起来的一种半导体显示器件；

七十年代，随着半导体材料合成技术、单晶制造技术和P-N结形成技术的研究进展，发光二极管在发光颜色、亮度等性能得以提高并迅速进入批量化和实用化；

八十年代，LED在发光波长范围和性能方面大大提高，并开始形成平板显示产品即LED显示屏，

八十年代后期，在全球迅速发展起来的新型信息显示媒体，利用发光二极管构成的点阵模块或像素单元组成在面积显示屏幕，以可靠性高、使用寿命长、环境适应能力强、价格性能比高、使用成本低等特点，在短短的十来年中，迅速成长为平板显示的主流产品，在信息显示领域得到了广泛的应用

LED显示屏分为图文显示屏和视频显示屏，均由LED矩阵块组成。图文显示屏可与计算机同步显示汉字、英文文本和图形；视频显示屏采用微型计算机进行控制，图文、图像并茂，以实时、同步、清晰的信息传播方式播放各种信息，还可显示二维、三维动画、录像、电视、VCD节目以及现场实况。LED显示屏显示画面色彩鲜艳，立体感强，静如油画，动如电影，广泛应用于车站、码头、机场、商场、医院、宾馆、银行、证券市场、建筑市场、拍卖行、工业企业管理和其它公共场所   。

常用规格：PH10、PH12、PH16、PH20、PH25、PH31.25

LED电子显示屏工作原理：

主要从两个方面来分析：

（一）LED电子显示屏系统组成：

本系统由计算机专用设备、显示屏幕、视频输入端口和系统软件等组成。

计算机及专用设备：计算机及专用设备直接决定了系统的功能，可根据用户对系统的不同要求选择不同的类型。

显示屏幕：显示屏的控制电路接收来自计算机的显示信号，驱动LED发光产生画面，并通过增加功放、音箱输出声音。

视频输入端口：提供视频输入端口，信号源可以是录像机、影碟机、摄像机等，支持NTSC、PAL、S_Video等多种制式。

系统软件：提供LED播放专用软件，powerpoint或ES98视频播放软件。

(二)LED电子显示屏系统功能

该系统具备如下功能：

以计算机为处理控制中心，电子屏幕与电脑显示器(VGA)窗口某一区域逐点对应，显示内容实时同步，屏幕映射位置可调，可方便随意地选择显示画面的大小。

显示点阵采用超高亮度 LED发光管(红、绿双基色)，256级灰度，颜色变化组合65536种，色彩丰富逼真，并支持VGA 24位真彩色显示模式。

配备图文信息及三维动画播放软件，可播放高质量的图文信息及三维动画。播放软件显示信息的方式有覆盖、合拢、开帘、色彩交替、放大缩小等十多种形式。

使用专用节目编辑播放软件，可通过键盘，鼠标、扫描仪等不同的输入手段编辑、增加、删除和修改文字、图形、图像等信息。编排存于控制主机或服务器硬盘，节目播放顺序与时间，实现一体化交替播放，并可相互叠加。可以接收显示录像机、影碟机等视频信号 。

LED电子显示屏技术特点：

效果卓越：采用动态扫描技术，画面稳定，无杂点，图像效果清晰，动画效果生动，多样；视频效果流畅；

内容丰富：可显示文字、图表、图像、动画、视频信息；

方式灵活：可由用户任意编排显示模式；

质量保证：采用进口发光材料、高品质IC芯片、无噪声大功率电源；

信息量大：显示的信息不受限制；

维修方便：模块化设计，安装，维护方便；

远距离传送：采用先进的数据传输技术，使用千兆网高速数据通讯芯片，支持无中继的远距离传输；

稳定可靠：采用国际最新技术，使用世界流行的超大规模器件，提高了控制系统的稳定性、可靠性，并可支持在线升级

高效节能：提倡低碳、绿色环保，LED显示屏正朝着更节能的方向发展

LED电子显示屏优点：

LED显示屏可以显示变化的数字、文字、图形图像；不仅可以用于室内环境还可以用于室外环境，具有投影仪、电视墙、液晶显示屏无法比拟的优点。

LED之所以受到广泛重视并且迅速发展，与它本身所具有的优点分不开的。这些优点概括起来是：亮度高、工作电压低、功耗小、小型化、寿命长、耐冲击和性能稳定。

LED的发展前景极为广阔，正朝着更高亮度、更高耐气候性、更高的发光密度、更高的发光均匀性，可靠性、全色化方向发展。

LED电子显示屏分类：

按颜色基色可以分为

单基色显示屏：单一颜色（红色或绿色）。

双基色显示屏：红和绿双基色，256级灰度、可以显示65536种颜色。

全彩色显示屏：红、绿、蓝三基色，256级灰度的全彩色显示屏可以显示一千六百多万种颜色。

2. 按显示器件分类

LED数码显示屏：显示器件为7段码数码管，适于制作时钟屏、利率屏等，显示数字的电子显示屏。

LED点阵图文显示屏：显示器件是由许多均匀排列的发光二极管组成的点阵显示模块，适于播放文字、图像信息。

3. 按使用场合分类

室内显示屏：发光点较小，一般Φ3mm--Φ8mm，显示面积一般几至十几平方米。

室外显示屏：面积一般几十平方米至几百平方米，亮度高，可在阳光下工作，具有一定的防风、防雨、防水功能。

4. 按发光点像素间距分类

室内屏：P3mm、P3.75mm、P4mm 、P6mm、 P7.62mm、P8mm、P10mm

室外屏：P10mm、P12mm、P14mm、P16mm、P20mm、P25mm、P31.25mm、P36mm、

室外屏发光的基本单元为发光筒，发光筒的原理是将一组红、绿、蓝发光二极管封在一个塑料筒内共同发光增强亮度。

LED电子显示屏生产工艺流程：

清洗：采用超声波清洗PCB或LED支架，并烘干。

装架：在LED管芯（大圆片）底部电极备上银胶后进行扩张，将扩张后的管芯（大圆片）安置在刺晶台上，在显微镜下用刺晶笔将管芯一个一个安装在PCB或LED支架相应的焊盘上，随后进行烧结使银胶固化。

压焊：用铝丝或金丝焊机将电极连接到LED管芯上，以作电流注入的引线。LED直接安装在PCB上的，一般采用铝丝焊机。（制作白光TOP-LED需要金线焊机）

封装：通过点胶，用环氧将LED管芯和焊线保护起来。在PCB板上点胶，对固化后胶体形状有严格要求，这直接关系到背光源成品的出光亮度。这道工序还将承担点荧光粉（白光LED）的任务。

焊接：如果背光源是采用SMD-LED或其它已封装的LED，则在装配工艺之前，需要将LED焊接到PCB板上。

切膜：用冲床模切背光源所需的各种扩散膜、反光膜等。

装配：根据图纸要求，将背光源的各种材料手工安装正确的位置。

测试：检查背光源光电参数及出光均匀性是否良好。

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