钒掺杂半绝缘SiC的制备及特性研究

摘要

半绝缘碳化硅(SiC)材料对于SiC器件的制作和性能具有非常重要的意义，特别是对功率器件、深亚微米器件和微波功率器件更是如此。半绝缘材料既可以做器件的衬底，又可以作为器件间的隔离。更重要的是，无论从电特性还是导热特性来讲，半绝缘SiC都是在光电和微波功率器件中具有重大应用前景的另一种宽禁带半导体材料GaN最好的衬底材料。由于对高阻材料的测量分析非常困难，因此关于钒掺杂生长半绝缘SiC的补偿机理和材料特性还没有一套系统的表征测试方案。离子注入是唯一适于SiC的选择性区域掺杂方法，目前国际上对钒离子注入制备半绝缘SiC的研究很少，而国内在这方面的研究仍属空白。SiC材料的离子注入本身就存在许多问题，如注入缺陷的消除、退火工艺的优化、杂质激活率的提高等问题都有待于研究解决。此外，关于钒作为深受主杂质在4H-SiC中的能级位置，国际上仍存在较大争议。 本文对钒离子注入制备半绝缘4H-SiC的机理、方法和特性进行了系统的理论和实验研究，对钒掺杂生长的半绝缘6H-SiC单晶体材料的补偿机理和材料特性进行了表征测试，主要的研究成果如下： (1)深入研究了几种不同的半绝缘SiC材料的形成机理和制备方法，对钒掺杂p型和n型SiC形成半绝缘材料的补偿机理和物理特性进行了详细的分析研究。通过研究离子注入理论和工艺特性，采用蒙特卡罗(Monte Carlo)方法，借助Trim模拟软件对钒离子注入SiC的分布进行了统计计算，计算模拟了不同注入能量下钒注入SiC的平均投影射程、标准偏差以及浓度分布。提出了钒离子注入制备半绝缘SiC的工艺流程及测试方案，包括注入工艺参数(能量和剂量)、退火条件和测试结构的设计等。 (2)研究了退火条件对钒注入SiC材料特性的影响，发现1650℃的退火温度对注入引起的晶格损伤起到了很好的修复作用，退火后样品的结晶品质-最小产额比χmin(10.2％)接近初始样品的结晶品质χmin(8.6％)。经过高温退火，钒在SiC中的再扩散也不明显，钒在p型SiC中较在n型SiC中更为稳定。采用一种台面结构对样品进行I-V测试，发现钒注入层电阻率与SiC的初始导电类型关系很大，且随退火温度的升高而增加。经过1650℃退火后，常温下钒注入p型和n型4H-SiC半绝缘层的电阻率分别为1.6×1010Ω·cm和7.6×106Ω·cm。采用TLM结构对表面欧姆接触比电阻进行测量，发现接触电阻对半绝缘层的电学测试影响较小。对Ni基金属n型SiC的欧姆接触形成机理进行了研究，发现合金化后在金属层下面形成大量的碳空位(VC)，起到浅能级杂质的作用，增加了自由载流子浓度，从而导致比接触电阻的降低。合金化退火过程中，Al-Ti金属与SiC反应形成的三元合金Ti3SiC2是p型SiC欧姆接触的主要原因。 (3)研究了高温退火SiC表面形貌的影响。目前关于离子注入退火后SiC表面出现犁状沟槽缺陷的形成机制的理论和实验研究还是空白。通过对离子注入及退火前后SiC表面形貌和组分进行定性、定量分析，发现离子注入并不会导致表面粗糙，表面沟槽的形成是由于退火导致了SiC表面Si的析出，并伴随着少量的SiO2再沉积到样品表面所形成的，从理论上提出了沟槽缺陷的形成机制。设计了光刻胶碳化形成C膜覆盖层的退火保护工艺，并使用了内壁涂有多晶SiC粉的高纯石墨坩埚作为退火保护，研究表明该方法可以有效保护SiC表面承受1650℃的退火温度。 (4)在借助钒离子注入成功制备了半绝缘4H-SiC的基础上，选择了精确有效的实验方法，通过对钒注入SiC样品分别进行变温电阻、低温光致发光和深能级瞬态谱测试分析，发现杂质钒在4H-SiC禁带中会形成两个深受主能级，分别位于导带下～0.8 eV和1.0～1.1 eV处，其电子俘获截面σn分别为7.0×1016cm2和6.0×1016cm2。这个发现可以很好地解释钒掺杂n型SiC形成的半绝缘层电阻率(106Ω·cm)比钒掺杂p型SiC的电阻率(1010～1012Ω·cm)低4～6个数量级这一现象。 (5)提出了一套系统的钒掺杂生长半绝缘6H-SiC的表征测试方法，对半绝缘材料的补偿机理、结晶质量和晶片特性进行了研究。通过对SiC中的主要杂质以及钒在SiC中的电荷态进行测量分析，提出了掺钒生长半绝缘SiC的补偿机理，即掺入的钒在SiC中形成深受主杂质能级，通过束缚浅施主杂质能级上的自由电子，减小了自由载流子浓度，得到具有半绝缘特性的高阻材料。研究了钒作为深受主杂质在6H-SiC中的能级位置，发现其位于导带下0.62 eV处。借助拉曼光谱和X射线衍射对SiC的结晶质量进行研究，发现晶圆大部分区域结晶质量较好，边缘部分区域存在15R-SiC和6H-SiC多晶型共存。采用电阻mapping和光致发光mapping技术对晶圆进行测量，结果表明晶圆中钒掺杂浓度及电阻分布比较均匀，从中心区域到边缘区域，电阻率呈现环形等高线分布并逐渐递减，最大误差为11.7％。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1研究背景

1.1.1碳化硅材料的优势

1.1.2碳化硅材料与器件的发展

1.1.3半绝缘SiC材料的研究意义

1.2钒掺杂半绝缘SiC的研究现状及存在的问题

1.2.1.国内外的研究现状

1.2.2存在的问题

1.3本文的主要研究工作

第二章半绝缘SiC的形成机理

2.1形成半绝缘SiC的方法

2.1.1 SiC中的杂质

2.1.2生长高纯SiC单晶

2.1.3离子轰击产生深能级陷阱

2.1.4掺入深能级杂质补偿载流子

2.2钒掺杂形成半绝缘SiC的补偿机理

2.2.1钒在SiC中的电荷态及能级

2.2.2钒杂质能级对自由载流子的补偿

2.3离子注入技术及Trim模拟

2.3.1离子注入特性

2.3.2离子注入的射程和浓度分布

2.3.3钒离子注入SiC的射程分布模拟

2.3.4钒离子注入SiC的浓度分布模拟

2.4本章小结

第三章钒离子注入制备半绝缘SiC

3.1钒离子注入的实验设计

3.1.1实验材料

3.1.2注入能量和剂量的设计

3.1.3注入温度和高温退火工艺

3.1.4电学性能测试方案的设计

3.1.5欧姆接触金属的选择

3.1.6肖特基接触的制备

3.2钒离子注入SiC实验工艺流程

3.2.1工艺设计

3.2.2工艺流程

3.2.3重点工艺说明

3.3高温退火导致的SiC表面损伤

3.3.1表面形貌

3.3.2形成机理研究

3.3.3表面组分分析

3.4采用C膜作为退火保护掩模的研究

3.4.1采用C膜作为退火保护的工艺过程

3.4.2退火前SiC表面分析

3.4.3退火后SiC表面分析

3.5高温退火对杂质再分布和注入损伤的影响

3.5.1退火引起的杂质再分布

3.5.2离子注入损伤及修复

3.6钒注入SiC半绝缘层的电学性能测试

3.6.1钒离子注入p型SiC的电阻率

3.6.2钒离子注入n型SiC的电阻率

3.6.3讨论

3.7接触电阻对半绝缘SiC电学测量的影响

3.7.1金属.半导体接触理论

3.7.2比接触电阻的TLM测量计算方法

3.7.3 n型SiC材料Ni基欧姆接触测量及机理研究

3.7.4 p型SiC材料Al-Ti欧姆接触测量及机理研究

3.8本章小结

第四章钒掺杂SiC形成的深能级研究

4.1存在的争议和问题

4.2 4h-SiC中的钒受主能级

4.3电学和光学测量

4.3.1变温I-V测量

4.3.2光致发光分析

4.4深能级瞬态谱分析

4.4.1深能级瞬态谱的分析计算方法

4.4.2实验样品准备

4.4.3测量结果与分析

4.5本章小结

第五章钒掺杂半绝缘6H-SiC单晶生长及表征

5.1钒掺杂半绝缘SiC单晶生长

5.1.1 SiC单晶生长方法及设备

5.1.2 SiC单晶生长过程

5.1.3存在的问题

5.1.4半绝缘SiC晶体的表征测试方法

5.1.5样品准备

5.2钒掺杂生长半绝缘SiC的补偿机理

5.2.1 SIMS测试

5.2.2电子顺磁共振分析

5.2.3近红外吸收光谱分析

5.2.4光致发光测试

5.3材料特性及表征

5.3.1 SiC中的多晶型共存

5.3.2晶体质量分析

5.3.3电阻均匀性

5.3.4掺杂均匀性

5.4本章小结

第六章总结

致谢

参考文献

研究成果