SiC/SiO2界面形成机理及界面缺陷的第一性原理研究

摘要

宽带隙半导体碳化硅(SiC)具有高热导率、高电子饱和漂移速度以及大的临界击穿场强，使得其有望成为大功率电力电子器件的首选材料。基于SiC半导体的高功率电力电子器件比Si器件的品质因数优越1000倍，使用这种新型器件的电力系统可以达到节能降耗70％。作为功率器件，SiC MOS器件是关注的热点，高品质绝缘膜是SiC MOS器件工作的基础，低的界面态密度是其性能保障。然而，传统热氧化SiC MOS结构的界面态密度过高，降低了SiC MOS器件的性能。因此，探索SiC/SiO2界面缺陷的形成机理，明确界面态的起源和消减技术具有重要的科学和工程实用价值。
　　本论文发展了一种能够描述SiC表面在真实氧化环境下氧化行为的第一性原理热力学方法，以此研究SiC/SiO2界面形成过程中SiC的热氧化相图;结合变角X射线光电子能谱(ARXPS)测试和紧束缚密度泛函方法分析了SiC/SiO2界面的组成和可能缺陷构型;采用混合密度泛函理论方法计算获得各种可能缺陷构型在SiC带隙中的准确能级位置，确立了这些缺陷对近界面态的贡献;探索了磷原子对近界面态缺陷的钝化效果及钝化机理。论文主要内容及结论如下:
　　(1) SiC/SiO2界面生长过程中界面缺陷的形成机理研究:采用密度泛函理论结合热力学方法，绘制出SiC表面热氧化相图，分析了SiC/SiO2界面形成过程中SiC热氧化行为。计算结果表明，当氧原子覆盖度增加到3/4单原子层(monolayer，ML)时，首个氧原子插入SiC次表面，随着氧原子数的继续增加，包含有碳二聚物的2 ML构型被发现是热力学稳定相，提供了一种形成界面碳团簇的微观机理。热力学氧化相图还建议SiC热氧化生长SiO2膜的合理温度是1400 K。对于台阶SiC表面的热氧化，随着氧原子的浓度在台阶处聚集，台阶处的碳原子会以CO气体形式离开台阶表面，其反应势垒为0.48eV。CO气体离开SiC表面后，一维的-Si-O-链状结构将沿着台阶边生长，促进台阶进一步氧化，这使得台阶与平台的氧化速率不一致。根据改进的Deal-Grove模型，台阶处的氧化速率是平台的近1000倍，导致生长的氧化膜厚度不均匀，降低SiC MOS器件的电学性能。这些结果进一步加深人们对SiC/SiO2界面缺陷形成机理的认识，为有针对性地抑制界面缺陷形成提供了理论指导。
　　(2) SiC/SiO2界面组成和可能缺陷构型研究:结合ARXPS测试分析和紧束缚密度泛函理论方法研究了热氧化SiC/SiO2界面的结构和可能缺陷构型。XPS测试结果表明，热氧化形成的SiC/SiO2界面包含一个不完全氧化物(SiCxOy)的界面过渡层，并且各种SiCxOy成分具有不同的深度分布。为了从原子尺度更清楚地认识SiC/SiO2界面结构，采用紧束缚密度泛函理论方法搭建了一个非突变的界面结构模型。在这个界面结构中，各种可能的缺陷构型（如悬挂键、碳团簇、硅团簇、SiCxOy等）被观测到。对比模拟SiC/SiO2界面过渡层结构信息与ARXPS分析结果，发现两者界面处各种SiCxOy成分的相对强度基本一致，从理论上证实了界面过渡层的合理性。这个研究在SiC/SiO2界面的理论计算与实验测试之间建立了一座桥梁，为界面缺陷构型和界面态的钝化奠定基础。
　　(3) SiC/SiO2界面缺陷能级位置的理论研究:采用第一性原理方法搭建了一个突变的SiC/SiO2界面结构模型，计算获得该界面的导带和价带台阶分别为2.76 eV和2.84 eV，与实验测量值一致，表明这个界面结构具有良好的电子结构性质，适合于SiC/SiO2界面缺陷能级的研究。基于此模型体系，SiC中C=C双原子对，SiO2部分中单个碳原子结构、C=C双原子对、间隙硅原子以及间隙氢原子，界面附近氮原子取代硅原子等缺陷结构的能级位置被计算与分析。结果表明，SiO2中间隙硅原子以及界面附近碳二聚物的缺陷能级位于导带下方0.2 eV，0.1 eV以及0.23 eV，表明SiO2中间隙硅原子以及界面附近碳二聚物可以引入4H-SiC导带附近的界面态。这些结果揭示了SiC/SiO2近界面态密度的起源，建立了界面缺陷构型和界面态密度的对应关系，为有针对性地钝化界面缺陷提供了理论依据。
　　(4) SiC/SiO2界面缺陷的磷原子钝化机理研究:采用第一性原理方法探索了磷原子对SiC表面悬挂键及SiC/SiO2界面缺陷的钝化效果，分析了磷原子钝化的微观机理。计算结果表明，1/3 ML磷原子覆盖的4H-SiC(0001)表面是热力学稳定结构，并且1/3 ML磷原子能够有效地钝化SiC表面硅悬挂键。对于碳二聚物缺陷，磷原子取代C=C构型中一个碳原子的结构在能量上最为稳定。电子结构分析发现，经过磷原子钝化后，C=C构型在SiC导带附近引入的电子态被推向价带附近，降低SiC导带附近的界面态密度，从而有助于提高SiC MOS器件的迁移率。该研究阐明了磷原子钝化的微观机理，为开发更有效的钝化方法提供有力保障。

目录

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摘要

图目录

表目录

主要符号表

1 绪论

1．1 研究背景

1．2 SiC／SiO2界面的研究进展与挑战

1．3 研究思想及内容

2 SiC／SiO2界面的形成机理研究

2．1 引言

2．2 理论方法

2．3 完美SiC表面上SiO2膜的生长机理

2．3．1 完美SiC表面模型

2．3．2 氧原子在SiC最表面的氧化行为

2．3．3 氧原子在SiC次表面的氧化行为

2．3．4 完美SiC表面的热氧化相图

2．4 台阶SiC表面上SiO2膜的生长机理

2．4．1 台阶SiC表面模型

2．4．2 台阶SiC表面氧化的动力学过程

2．4．3 台阶SiC表面氧化的热力学相图

2．4．4 表面台阶对SiC-MOS器件性能的影响

2．5 本草小结

3 SiC／SiO2界面的结构与组成研究

3．1 引言

3．2 SiC／SiO2界面结构的ARXPS测试

3．2．1 SiC／SiO2界面结构的制备

3．2．2 界面结构的ARXPS分析

3．3 SiC／SiO2界面原子结构的理论模拟

3．3．1 计算模拟方法

3．3．2 SiC／SiO2界面的原子结构

3．4 SiC／SiO2界面组成的理论与实验对比

3．5 本章小结

4 SiC／SiO2界面缺陷及其电子态结构研究

4．1 引言

4．2 计算模型与方法

4．3 碳原子相关缺陷的电子态结构分析

4．3．1 氧化层中单碳缺陷的电子态结构

4．3．2 氧化层中碳二聚物的缺陷态能级

4．3．3 SiC衬底附近碳二聚物的缺陷态能级

4．4 间隙硅原子的缺陷态能级

4．5 氮相关缺陷的电子态结构分析

4．6 间隙氢原子的缺陷态能级

4．7 SiC／SiO2界面缺陷对界面态的贡献

4．8 SiC／SiO2界面过渡层的电子态结构分析

4．8．1 界面过渡层的原子构型

4．8．2 界面过渡层的电子态结构

4．9 本章小结

5 SiC／SiO2界面缺陷的磷钝化机理研究

5．1 引言

5．2 SiC表面硅悬挂键的磷钝化机理

5．3 SiC／SiO2界面缺陷的磷钝化机理

5．4 本草小结

6 结论与展望

6．1 结论

6．2 创新点摘要

6．3 展望

参考文献

攻读博士学位期间科研项目及科研成果

致谢

作者简介