4H-SiC外延材料低位錯密度關鍵技術研究.pdf

1、以碳化硅(SiC)材料為代表的第三代寬帶隙半導體材料具有寬帶隙、高臨界擊穿電場、高熱導率、高載流子飽和漂移速度等特點,特別適合制作高溫、高壓、大功率、耐輻照等半導體器件。其中4H-SiC材料以其優(yōu)異的特性引起人們的廣泛重視。然而在晶體生長和器件制備過程中常會引入大量的缺陷,主要包括螺型位錯(TSD)、刃型位錯(TED)、基面位錯(BPD)和堆垛層錯(SF)等,這些缺陷對器件性能有著不同程度的影響。其中BPD對器件特性影響最為顯著,因此也

2、成為近期研究的熱點和難點。
　　 國外已相繼開展了降低BPD密度方法的研究,并取得了一定的成績,但關于降低BPD密度機理的研究還存在爭議。國內盡管在4H-SiC材料外延生長方面已取得一定的成績,但由于起步晚,很多工作還沒有開展。其中關于4H-SiC材料缺陷表征問題的研究還很少,尤其對控制外延層中BPD密度方法的研究還沒有文獻報道。基于以上問題,本文圍繞降低外延層BPD密度外延生長開展相關研究工作,主要的研究內容和創(chuàng)新性成果如下:

3、
　　 (1)利用掃描電子顯微鏡(SEM)和陰極熒光(CL)相結合的方式對常規(guī)CVD方法制備的偏8°同質4H-SiC外層中的缺陷進行無損測試后發(fā)現(xiàn):晶體表面分布著少量的三角形缺陷和蘿卜型缺陷；晶體內部分布著大量的TED和少量的TSD。沿基面規(guī)律性分布著大量的BPD和SF。分析認為造成BPD和SF這一分布特點的主要原因是階梯流生長機制所致。同時還利用CL對缺陷的發(fā)光特性進行了研究,并從實驗角度證實了4H-SiC外延材料中綠帶發(fā)光中

4、包含BPD的推論。
　　 (2)研究了位錯的延伸和轉化機理。研究結果為:TSD不能轉化為TED而BPD可以轉化為TED。這是由于在轉化過程中前者只滿足能量最低卻不能滿足伯格斯矢量守恒的條件,而后者可以同時保持能量最低和伯格斯矢量守恒的雙重條件。在兩種BPD中,BMD比BTSD更容易轉化成TED。該結論不但完善了目前國際上對位錯延伸和轉化的機理研究結果,而且為位錯密度控制方法提供了理論指導。
　　 (3)利用選擇性刻蝕實現(xiàn)

5、了降低外延層中BPD密度的目的。在經過選擇性刻蝕后的N型4H-SiC襯底上采用常規(guī)CVD法生長同質非故意摻雜外延材料。測試結果表明:經過選擇性刻蝕后生長的外延材料的BPD密度比常規(guī)方法外延生長BPD密度降低了31％(由1.7×10％m2降到5.3×103/cm2)。
　　 (4)研究了利用選擇性刻蝕外延生長的材料中BPD延伸和轉化結果以及外延層中BPD形成機理。結果表明:在襯底中沿<1120>方向的BPD在外延生長中全部轉化為T

6、ED；沿<1100>的BPD在外延層中部分轉化成TED。造成沒有轉化的原因分析認為局部的應力集中增加了該區(qū)域的彈性能,導致不易轉化為能量較低的FED。對比襯底和外延層同一位置后發(fā)現(xiàn),襯底表面拋光引入的小缺陷可導致新BPD的產生。由此提出了通過提高襯底表面質量可有效降低新BPD的成核密度。
　　 (5)對外延層中原位SF的形成機理進行了研究。研究結果為:原位SF的成核位不是TSD,而是襯底表面的雜質或微粒。實驗還發(fā)現(xiàn):采用選擇性刻