4H-SiC外延材料低位错密度关键技术研究

摘要

以碳化硅(SiC)材料为代表的第三代宽带隙半导体材料具有宽带隙、高临界击穿电场、高热导率、高载流子饱和漂移速度等特点,特别适合制作高温、高压、大功率、耐辐照等半导体器件。其中4H-SiC材料以其优异的特性引起人们的广泛重视。然而在晶体生长和器件制备过程中常会引入大量的缺陷,主要包括螺型位错(TSD)、刃型位错(TED)、基面位错(BPD)和堆垛层错(SF)等,这些缺陷对器件性能有着不同程度的影响。其中BPD对器件特性影响最为显著,因此也成为近期研究的热点和难点。
　　 国外已相继开展了降低BPD密度方法的研究,并取得了一定的成绩,但关于降低BPD密度机理的研究还存在争议。国内尽管在4H-SiC材料外延生长方面已取得一定的成绩,但由于起步晚,很多工作还没有开展。其中关于4H-SiC材料缺陷表征问题的研究还很少,尤其对控制外延层中BPD密度方法的研究还没有文献报道。基于以上问题,本文围绕降低外延层BPD密度外延生长开展相关研究工作,主要的研究内容和创新性成果如下:
　　 (1)利用扫描电子显微镜(SEM)和阴极荧光(CL)相结合的方式对常规CVD方法制备的偏8°同质4H-SiC外层中的缺陷进行无损测试后发现:晶体表面分布着少量的三角形缺陷和萝卜型缺陷；晶体内部分布着大量的TED和少量的TSD。沿基面规律性分布着大量的BPD和SF。分析认为造成BPD和SF这一分布特点的主要原因是阶梯流生长机制所致。同时还利用CL对缺陷的发光特性进行了研究,并从实验角度证实了4H-SiC外延材料中绿带发光中包含BPD的推论。
　　 (2)研究了位错的延伸和转化机理。研究结果为:TSD不能转化为TED而BPD可以转化为TED。这是由于在转化过程中前者只满足能量最低却不能满足伯格斯矢量守恒的条件,而后者可以同时保持能量最低和伯格斯矢量守恒的双重条件。在两种BPD中,BMD比BTSD更容易转化成TED。该结论不但完善了目前国际上对位错延伸和转化的机理研究结果,而且为位错密度控制方法提供了理论指导。
　　 (3)利用选择性刻蚀实现了降低外延层中BPD密度的目的。在经过选择性刻蚀后的N型4H-SiC衬底上采用常规CVD法生长同质非故意掺杂外延材料。测试结果表明:经过选择性刻蚀后生长的外延材料的BPD密度比常规方法外延生长BPD密度降低了31％(由1.7×10％m2降到5.3×103/cm2)。
　　 (4)研究了利用选择性刻蚀外延生长的材料中BPD延伸和转化结果以及外延层中BPD形成机理。结果表明:在衬底中沿<1120>方向的BPD在外延生长中全部转化为TED；沿<1100>的BPD在外延层中部分转化成TED。造成没有转化的原因分析认为局部的应力集中增加了该区域的弹性能,导致不易转化为能量较低的FED。对比衬底和外延层同一位置后发现,衬底表面抛光引入的小缺陷可导致新BPD的产生。由此提出了通过提高衬底表面质量可有效降低新BPD的成核密度。
　　 (5)对外延层中原位SF的形成机理进行了研究。研究结果为:原位SF的成核位不是TSD,而是衬底表面的杂质或微粒。实验还发现:采用选择性刻蚀生长的外延层中原位SF的密度(5.0×103/cm2)低于常规生长的外延层中原位SF的密度(5.7×104/cm2),为进一步降低原位SF密度提供有意义的指导。