非故意摻雜4H-SiC本征缺陷及退火特性研究.pdf

1、高質量的半絕緣SiC材料在集成電路以及射頻功率MESFET和功率PIN器件等方面的應用具有十分重要的地位，它既可用作器件的襯底，又可作為器件間的隔離，同時還可以作為GaN材料的襯底材料。由于具有高的電阻率，半絕緣材料表征存在一定的難度。因此，高質量SiC材料中本征缺陷的特性成為研究半絕緣SiC材料的一個熱點問題。目前，商用高質量半絕緣4H-和6H-SiC材料多是采用物理氣相運輸法和高溫化學氣相沉積法制備，雖然實驗研究了這些材料中本征缺陷

2、的種類、結構及退火特性，但研究結果卻存在較大的差異。
　　 國內高質量4H-SiC同質外延單晶薄膜的研究已經取得了較大進展，非故意摻雜4H-SiC同質外延材料中雜質濃度已經可以大幅度降低，而對于材料中的本征缺陷卻沒有一套系統(tǒng)完整的測試方法；同時對于這些深能級本征缺陷，由于不同樣品中差異較大，因此對于本征缺陷深能級的起源還沒有定論，國際上的爭議也比較大。在此背景下，本文首先對理想4H-SiC晶體中常見本征缺陷的電子結構及形成能和室

3、溫平衡濃度進行了計算；同時對我們自行制各的非故意摻雜4H-SiC外延材料的本征缺陷進行了廣泛深入的研究。主要的研究結果如下：
　　 1.采用CASTEP模擬軟件，計算了理想化學配比4H-SiC的電子結構，并在此基礎上計算了本征缺陷碳空位(VC)、硅空位(VSi)、空位對(VC-VSi)、碳空位反碳空位對(VC-C)和硅空位反硅空位對(VSi-Si)對4H-SiC電子結構的影響。結果表明：4H-SiC是一種間接帶隙半導體材料，導帶

4、底和價帶頂分別位于布里淵區(qū)的M和G點處，計算4H-SiC晶體的禁帶寬度約為2.36eV，比實驗值低，這主要是由于計算過程中采用的廣義梯度近似引起的；VC缺陷在禁帶中形成了分別位于Ec～0.6eV和Ev+～1.0eV的缺陷能級；VSi在禁帶中引入位于Ev+～0.5eV的缺陷能級；VC-VSi、VC-C以及VSi-Si缺陷在禁帶中形成的缺陷能級分別位于Ec-1.2eV、Ec-1.6eV和Ec-1.1eV處。同時，理論計算結果認為幾種本征缺陷

5、的形成能由小到大的變化順序為VSi→VC-C→VSi-Si→VC→VC-VSi。計算結果表明高質量4H-SiC材料中濃度較大的本征缺陷為VC-VSi、VC-C和VC，這與實驗結果吻合較好。
　　 2.研究了非故意摻雜4H-SiC材料本征缺陷的低溫電子順磁共振特性：暗場條件下，材料的電子順磁共振譜具有明顯的各向異性，較高的測試溫度、晶體的晶格結構和缺陷濃度的不均勻分布是造成譜線半高寬較大及峰谷不對稱現象的主要原因。通過電子順磁共振

6、理論計算可知，樣品中本征缺陷是由碳空位及其絡合物的混合物所組成，這與理論計算結果一致。
　　 當氙光激勵時，樣品本征缺陷的電子順磁共振特性發(fā)生了變化，光觸發(fā)后樣品的電子順磁共振主峰上出現了兩個側峰，對側峰的g矢量進行計算發(fā)現，這兩個側峰具有本征缺陷中硅空位(VSi)和碳空位—反碳空位對(VCCSi)的特征。光激勵作用下，電子順磁共振譜的主峰未發(fā)生偏移現象，其峰值和線寬稍有變化，經分析認為光激勵作用使樣品中的本征缺陷濃度及分布發(fā)生

7、了變化，而本征缺陷種類與原始樣品的基本一致。隨著光激勵時間的延長，電子順磁共振主峰上的兩個側峰消失，且電子順磁共振強度也隨之發(fā)生周期性變化，但變化幅度越來越?。划敼饧顣r間為2.5min時，電子順磁共振強度達到最大，這主要是由于光激勵作用使本征缺陷發(fā)生了強烈的相互作用和轉化過程。
　　 3.分析了本征缺陷的低溫光致發(fā)光特性：10K時，非故意摻雜4H-SiC外延材料中本征缺陷光致發(fā)光譜是峰值為570nm的“黃綠色”發(fā)光帶，該發(fā)光帶

8、的能級位于導帶下0.8eV-1.3eV之間，且該“黃綠色”發(fā)光帶分布接近高斯分布?！包S綠色”發(fā)光帶形成的主要原因是樣品中存在著大量的碳空位VC及其擴展缺陷，是二者共同發(fā)生輻射復合作用的結果，該結果與電子順磁共振測試結果一致。
　　 4.研究了退火處理對樣品中本征缺陷的影響：退火處理可有效降低樣品的電子順磁共振和光致發(fā)光強度，但本征缺陷類型與原始樣品基本一致。當退火時間少于30min時，隨著退火溫度的升高電子順磁共振和光致發(fā)光強度

9、均符合先增加后減小的規(guī)律，1573K時樣品中本征缺陷的電子順磁共振和光致發(fā)光強度達到最大，該結果說明退火過程中，本征缺陷之間發(fā)生了強烈的相互作用和轉化過程；當退火時間為60min時，樣品的電子順磁共振和光致發(fā)光結果與上述變化趨勢完全不同，這主要是由于退火時間為60min時，除了本征缺陷之間的相互轉化和絡合作用外，退火處理過程中Si原子逸出，使C/Si比增大從而引入大量硅空位(VSi)型本征缺陷的影響不可忽略。退火溫度及退火時間的選擇可以

10、顯著影響材料中本征缺陷的濃度。
　　 建立了退火處理過程中本征缺陷的發(fā)光模型。在退火處理過程中，由于本征缺陷之間的相互作用、亞穩(wěn)定型本征缺陷向穩(wěn)定型本征缺陷的轉化以及退火造成的Si原子逸出等因素的影響，樣品的光致發(fā)光發(fā)光波長出現了發(fā)光峰“黃移”現象。產生“黃移”現象的主要因素有兩個：首先是退火處理使樣品中的本征缺陷發(fā)生相互作用過程，形成不同尺寸的微觀缺陷，這些缺陷屬于深能級缺陷，輻射復合發(fā)光靠近黃光段；其次是退火過程中引入的大量