釩摻雜半絕緣SiC的制備及特性研究.pdf

1、半絕緣碳化硅(SiC)材料對(duì)于SiC器件的制作和性能具有非常重要的意義，特別是對(duì)功率器件、深亞微米器件和微波功率器件更是如此。半絕緣材料既可以做器件的襯底，又可以作為器件間的隔離。更重要的是，無(wú)論從電特性還是導(dǎo)熱特性來(lái)講，半絕緣SiC都是在光電和微波功率器件中具有重大應(yīng)用前景的另一種寬禁帶半導(dǎo)體材料GaN最好的襯底材料。由于對(duì)高阻材料的測(cè)量分析非常困難，因此關(guān)于釩摻雜生長(zhǎng)半絕緣SiC的補(bǔ)償機(jī)理和材料特性還沒(méi)有一套系統(tǒng)的表征測(cè)試方案。離子

2、注入是唯一適于SiC的選擇性區(qū)域摻雜方法，目前國(guó)際上對(duì)釩離子注入制備半絕緣SiC的研究很少，而國(guó)內(nèi)在這方面的研究仍屬空白。SiC材料的離子注入本身就存在許多問(wèn)題，如注入缺陷的消除、退火工藝的優(yōu)化、雜質(zhì)激活率的提高等問(wèn)題都有待于研究解決。此外，關(guān)于釩作為深受主雜質(zhì)在4H-SiC中的能級(jí)位置，國(guó)際上仍存在較大爭(zhēng)議。 本文對(duì)釩離子注入制備半絕緣4H-SiC的機(jī)理、方法和特性進(jìn)行了系統(tǒng)的理論和實(shí)驗(yàn)研究，對(duì)釩摻雜生長(zhǎng)的半絕緣6H-SiC單

3、晶體材料的補(bǔ)償機(jī)理和材料特性進(jìn)行了表征測(cè)試，主要的研究成果如下： (1)深入研究了幾種不同的半絕緣SiC材料的形成機(jī)理和制備方法，對(duì)釩摻雜p型和n型SiC形成半絕緣材料的補(bǔ)償機(jī)理和物理特性進(jìn)行了詳細(xì)的分析研究。通過(guò)研究離子注入理論和工藝特性，采用蒙特卡羅(Monte Carlo)方法，借助Trim模擬軟件對(duì)釩離子注入SiC的分布進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)計(jì)算，計(jì)算模擬了不同注入能量下釩注入SiC的平均投影射程、標(biāo)準(zhǔn)偏差以及濃度分布。提出了釩離子

4、注入制備半絕緣SiC的工藝流程及測(cè)試方案，包括注入工藝參數(shù)(能量和劑量)、退火條件和測(cè)試結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)等。 (2)研究了退火條件對(duì)釩注入SiC材料特性的影響，發(fā)現(xiàn)1650℃的退火溫度對(duì)注入引起的晶格損傷起到了很好的修復(fù)作用，退火后樣品的結(jié)晶品質(zhì)-最小產(chǎn)額比χmin(10.2％)接近初始樣品的結(jié)晶品質(zhì)χmin(8.6％)。經(jīng)過(guò)高溫退火，釩在SiC中的再擴(kuò)散也不明顯，釩在p型SiC中較在n型SiC中更為穩(wěn)定。采用一種臺(tái)面結(jié)構(gòu)對(duì)樣品進(jìn)行I

5、-V測(cè)試，發(fā)現(xiàn)釩注入層電阻率與SiC的初始導(dǎo)電類(lèi)型關(guān)系很大，且隨退火溫度的升高而增加。經(jīng)過(guò)1650℃退火后，常溫下釩注入p型和n型4H-SiC半絕緣層的電阻率分別為1.6×1010Ω·cm和7.6×106Ω·cm。采用TLM結(jié)構(gòu)對(duì)表面歐姆接觸比電阻進(jìn)行測(cè)量，發(fā)現(xiàn)接觸電阻對(duì)半絕緣層的電學(xué)測(cè)試影響較小。對(duì)Ni基金屬n型SiC的歐姆接觸形成機(jī)理進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)合金化后在金屬層下面形成大量的碳空位(VC)，起到淺能級(jí)雜質(zhì)的作用，增加了自由載流子

6、濃度，從而導(dǎo)致比接觸電阻的降低。合金化退火過(guò)程中，Al-Ti金屬與SiC反應(yīng)形成的三元合金Ti3SiC2是p型SiC歐姆接觸的主要原因。 (3)研究了高溫退火SiC表面形貌的影響。目前關(guān)于離子注入退火后SiC表面出現(xiàn)犁狀溝槽缺陷的形成機(jī)制的理論和實(shí)驗(yàn)研究還是空白。通過(guò)對(duì)離子注入及退火前后SiC表面形貌和組分進(jìn)行定性、定量分析，發(fā)現(xiàn)離子注入并不會(huì)導(dǎo)致表面粗糙，表面溝槽的形成是由于退火導(dǎo)致了SiC表面Si的析出，并伴隨著少量的SiO

7、2再沉積到樣品表面所形成的，從理論上提出了溝槽缺陷的形成機(jī)制。設(shè)計(jì)了光刻膠碳化形成C膜覆蓋層的退火保護(hù)工藝，并使用了內(nèi)壁涂有多晶SiC粉的高純石墨坩堝作為退火保護(hù)，研究表明該方法可以有效保護(hù)SiC表面承受1650℃的退火溫度。 (4)在借助釩離子注入成功制備了半絕緣4H-SiC的基礎(chǔ)上，選擇了精確有效的實(shí)驗(yàn)方法，通過(guò)對(duì)釩注入SiC樣品分別進(jìn)行變溫電阻、低溫光致發(fā)光和深能級(jí)瞬態(tài)譜測(cè)試分析，發(fā)現(xiàn)雜質(zhì)釩在4H-SiC禁帶中會(huì)形成兩個(gè)深

8、受主能級(jí)，分別位于導(dǎo)帶下～0.8 eV和1.0～1.1 eV處，其電子俘獲截面σn分別為7.0×1016cm2和6.0×1016cm2。這個(gè)發(fā)現(xiàn)可以很好地解釋釩摻雜n型SiC形成的半絕緣層電阻率(106Ω·cm)比釩摻雜p型SiC的電阻率(1010～1012Ω·cm)低4～6個(gè)數(shù)量級(jí)這一現(xiàn)象。 (5)提出了一套系統(tǒng)的釩摻雜生長(zhǎng)半絕緣6H-SiC的表征測(cè)試方法，對(duì)半絕緣材料的補(bǔ)償機(jī)理、結(jié)晶質(zhì)量和晶片特性進(jìn)行了研究。通過(guò)對(duì)SiC中的

9、主要雜質(zhì)以及釩在SiC中的電荷態(tài)進(jìn)行測(cè)量分析，提出了摻釩生長(zhǎng)半絕緣SiC的補(bǔ)償機(jī)理，即摻入的釩在SiC中形成深受主雜質(zhì)能級(jí)，通過(guò)束縛淺施主雜質(zhì)能級(jí)上的自由電子，減小了自由載流子濃度，得到具有半絕緣特性的高阻材料。研究了釩作為深受主雜質(zhì)在6H-SiC中的能級(jí)位置，發(fā)現(xiàn)其位于導(dǎo)帶下0.62 eV處。借助拉曼光譜和X射線衍射對(duì)SiC的結(jié)晶質(zhì)量進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)晶圓大部分區(qū)域結(jié)晶質(zhì)量較好，邊緣部分區(qū)域存在15R-SiC和6H-SiC多晶型共存。采用