3C-SiC-Si異質(zhì)外延生長與肖特基二極管伏安特性的研究.pdf

1、SiC具有獨(dú)特的物理性質(zhì)和電學(xué)性能,擊穿電壓高、電子飽和漂移速率高、電子遷移率高、熱導(dǎo)率高、和化學(xué)穩(wěn)定性好,可用于高溫、高速、高頻等極端條件。相對于同質(zhì)外延來說,3C-SiC具有相對高的電子遷移率、高的飽和電子漂移速度和在Si上生長制作大面積器件的優(yōu)勢,而且SiC還具有與Si集成電路兼容的特點(diǎn),所以,Si襯底上3C-SiC的異質(zhì)外延引起了人們的廣泛關(guān)注。
　　 生長高質(zhì)量的3C-SiC外延層面臨的主要問題是熱膨脹系數(shù)和晶格適配導(dǎo)

2、致的應(yīng)力。同時,由于碳化法制備3C-SiC異質(zhì)外延過程的復(fù)雜性,也阻礙了異質(zhì)外延的機(jī)理研究的發(fā)展。
　　 在此背景下,本文研究的內(nèi)容主要包括了異質(zhì)外延碳化條件與生長條件的優(yōu)化,外延層應(yīng)力的消除機(jī)理,對生長所得高質(zhì)量外延層材料的表征,異質(zhì)外延機(jī)理,3C-SiC/Si器件的制備與性能分析等幾個方面。主要研究成果如下:
　　 1研究了高質(zhì)量3C-SiC/Si異質(zhì)外延生長條件。通過改變碳化和生長條件對異質(zhì)外延的工藝進(jìn)行了優(yōu)化,并

3、用表面輪廓儀和X射線衍射(XRD)等方法對樣品進(jìn)行分析。優(yōu)化后最佳外延條件為:碳化溫度1000℃,碳化時間5分鐘,生長溫度1200℃,生長速度4μm/h。在此條件下外延所得樣品彎曲度僅為5μm/45mm,SiC(111)峰的搖擺曲線半高寬(FWHM)為0.6°。
　　 2在對異質(zhì)外延的工藝進(jìn)行了優(yōu)化的基礎(chǔ)上對應(yīng)力降低的機(jī)制進(jìn)行了研究。研究過程中發(fā)現(xiàn),應(yīng)力隨著結(jié)晶質(zhì)量的提高逐漸減小。外延層與襯底之間的應(yīng)力(εR)來自于兩個部分,由

4、于熱膨脹系數(shù)的不同導(dǎo)致的熱應(yīng)變εθ和來自于晶格失配產(chǎn)生的應(yīng)力εm。SiC的熱膨脹系數(shù)大于Si的熱膨脹系數(shù),在高溫外延生長后冷卻至室溫后,薄膜熱應(yīng)變總是表現(xiàn)為張應(yīng)力類型；晶格失配應(yīng)力作用(εm)產(chǎn)生于外延層和襯底間的晶格失配,就3C-SiC/Si系統(tǒng)而言,由5個基本SiC原子組成的單元略大于由4個硅原子組成的單元,此時5aSiC/4aSi>1,所以晶格失配產(chǎn)生的εm總是表現(xiàn)為壓應(yīng)力。通過改變工藝條件,提高外延層結(jié)晶質(zhì)量,使得晶格失配產(chǎn)生的

5、εm增大并抵消εθ。使得最終的應(yīng)力εR減小,并減小樣品的彎曲,得到較為平整的高質(zhì)量樣品。
　　 3對外延所得樣品進(jìn)行了全面、系統(tǒng)的表征。采用XRD對樣品的雙晶搖擺曲線進(jìn)行了分析,結(jié)果表明樣品具有良好的單晶特性。用X射線光電子能譜儀(XPS)對外延層元素進(jìn)行了定性和定量的測試分析,結(jié)果表明所得樣品C/Si比為1.1。借助傅里葉紅外反射(FTIR)方法,利用干涉條紋的頻率和強(qiáng)弱的方法對樣品質(zhì)量與厚度進(jìn)行了分析,得出外延層厚度,計算出

6、外延的生長速度。并通過多點(diǎn)測試,得到外延層厚度均勻性,所得樣品厚度不均勻性為2.58％,說明外延薄膜較為均勻。
　　 采用原子力顯微鏡(AFM)、掃描電鏡(SEM)對樣品表面和縱截面形貌進(jìn)行了分析,所得樣品表面粗糙度為15.4nm,表面較為平整。根據(jù)縱截面SEM圖譜計算出外延層厚度,大約為3.3μm,與FTIR測試結(jié)果相互得到驗證。
　　 通過van der Paul法霍爾測試技術(shù),對樣品的遷移率和霍爾系數(shù)進(jìn)行測試表征,

7、測試出樣品導(dǎo)電類型為N型,載流子濃度為1.1548×1019/cm3,Hall遷移率為304.02cm2/vs。用汞探針電容-電壓(C-V)測試得到樣品雜質(zhì)濃度為9.5×1018/cm3,霍爾測試與汞探針C-V測試結(jié)果由于串聯(lián)電阻效應(yīng)而存在一定的偏差。對樣品的電阻均勻性進(jìn)行了測試,測試結(jié)果表明電阻率分布較為均勻,電阻率不均勻性僅為1.36％。
　　 4研究了異質(zhì)外延機(jī)理。對異質(zhì)外延碳化與生長過程中的動力學(xué)與熱力學(xué)進(jìn)行了分析。制備

8、了異質(zhì)外延不同階段的樣品,使用XRD、AFM、FTIR等對這些樣品進(jìn)行了表征,得到了從碳化到不同生長時間的規(guī)律。結(jié)晶質(zhì)量,表面形貌,厚度的不均勻性都隨著生長時間的增長而改善。利用復(fù)相反應(yīng)模型對異質(zhì)外延機(jī)理進(jìn)行了研究。異質(zhì)外延的碳化與生長過程,反應(yīng)都是在襯底表面進(jìn)行。SiC的生長速率由表面反應(yīng)速率決定。而表面反應(yīng)速率取決于SiC晶核的形成速率與SiC晶核在襯底表面的擴(kuò)散速率,初始碳化后,由于碳化形成的SiC晶核較多,使晶核的形成速率大于晶

9、核在襯底表面的擴(kuò)散速率,SiC薄膜的生長模式為表面輸運(yùn)控制,是三維島狀形核生長。生長過程中,反應(yīng)室中高濃度的H將對生成的SiC晶核進(jìn)行刻蝕,SiC晶核的形成速率小于SiC晶核在襯底表面的擴(kuò)散速率,過程變?yōu)閿U(kuò)散輸運(yùn)控制,使得島狀顆粒發(fā)生擴(kuò)散、互聯(lián)和共聚,SiC薄膜將變得光滑,結(jié)晶質(zhì)量得到提高。
　　 5制備了高性能的3C-SiC/Si肖特基二極管。利用ISE軟件分別模擬了3C-SiC/Si肖特基二極管和去除襯底Si后3C-SiC肖

10、特基二極管伏安特性。研究了異質(zhì)結(jié)、肖特基結(jié)對制備的器件伏安特性的影響。模擬結(jié)果表明,正向電壓下器件的導(dǎo)通電壓大約為0.5V,在電流非常小的時候,二者的伏安特性曲線基本重合。3C-SiC/Si異質(zhì)結(jié)能帶圖尖峰靠近勢壘根部,載流子能夠很容易越過和穿透勢壘。因此,異質(zhì)結(jié)對電流基本沒有影響。而當(dāng)器件導(dǎo)通之后,在較大電流的情況下,勢壘將被拉平,這分擔(dān)了一部分電壓,導(dǎo)致3C-SiC/Si肖特基二極管電流較3C-SiC肖特基二極管的小。反向伏安特性模

11、擬結(jié)果表明,3C-SiC/Si肖特基二極管擊穿電壓達(dá)到了275V左右,而3C-SiC肖特基二極管的擊穿電壓大約為250V,說明異質(zhì)結(jié)在3C-SiC/Si肖特基二極管的整個反向擊穿電壓中分擔(dān)了小部分的電壓。電流-電壓測試結(jié)果表明,其正向?qū)妷杭s為0.5V,反向擊穿電壓約為225V。所制備的3C-SiC/Si肖特基二極管性能良好。根據(jù)Ⅰ-Ⅴ測試結(jié)果采用熱電子發(fā)射理論計算了理想因子為1.58,肖特基勢壘高度φb為1.44 eV,串聯(lián)電阻為1