（凝聚态物理专业论文）宽禁带半导体的辐照效应研究.pdf

摘要 过6 5 4 6 7 3 摘要 宽禁带半导体的辐照效应研究 凝聚态物理专业 研究生王鸥指导教师龚敏教授 宽禁带半导体材料g a n 和s i c 是在蓝色发光和极端器件中很有前途的材 料。也被寄希望在军事和航天等辐射环境下工作。在其器件生产中，电子辐照 和离子注入是常用的工艺。本文对g a n 和6 h s i c 的辐照效应进行了研究。 我们使用了光致发光( p l ) 技术。在经过o 3 m e v 、o 5 m e v 、1 m e v 和1 7 m e v ， 能量电子辐照的n 型g a n 材料中，发现不同能量的辐照诱生了两种不同的缺 陷。由o 3 m e v 、o 5 m e v 较低能量电子辐照诱生的缺陷对自由激子( f e ) 、施主 一束缚激子复合( d b e ) 和纵向声子( l o ) 谱线的消退作用较弱，对蓝色发光带 ( b l ) 消退作用较强。由较高能量的l m e v 、1 7 m e v 电子辐照引入的缺陷表现 出对f e 、d b e 和l o 相对较强的消退作用。对经中子，1 ，7 m e v 和o 5 m e v 电子辐照后未经退火的1 3 _ 一型6 h s i c 观察到3 条新的尖锐的谱线，位于 4 7 8 6 r m l ( 2 5 9 e v ) 、4 8 3 ，3 r i m ( 2 5 6 5 e v ) 和4 8 6 1 n m ( 2 5 5 l e v ) ，它们还未见公丌报 道。它们经3 5 0 退火后变的很微弱，经5 0 0 。c 退火后消失。指出它们源于与 单空位相关缺陷。通过对经中子，电子辐照的p 型6 h - s i c 进行p l 研究，观 察到一系列高强度的d a 对发光峰，没有观察到与辐照缺陷相关的谱线。 通过深能级瞬态谱( d l t s ) 技术对在o 3 m e v 和o5 m e v 电子辐照后的p 型 6 h s i c 样品的研究。发现在o 3 m e v 电子辐照后，深能级h 1 出现。o 5 m e v 电子辐照后，深能级h 2 出现。根据在s i c 品格中使c 和s i 原子位移所需的 能量，推断出h 1 源于s i c 晶格中c 原子的位移，h 2 源于s i 原子的位移。又 根据h 1 ，h 2 和v c ，v s i 在p a s 研究中的退火特性的相似性，认为h i 源于v c ， h 2 源于v s i 。 摘要 最后，还对o a n 紫外探测器的辐照失效现象进行了初步分析。指出其失 效主要是由器件表面的s i 0 2 钝化层在辐照时电离产生的固定正电荷和界面态 导致。肖特基接触特性在辐照后下降也是重要原因之一。 关键词：g a n6 h s i c 辐照诱生缺陷光致发光深能级瞬态谱失效 a b s t r a c t a b s t r a c t s t u d i e so fi r r a d i a t i o ne f f e c t so nw i d eb a n d g a ps e m i c o n d u c t o r c o n d e n s e ds t a t ep h y s i c s p o s t g r a d u a t e ：w a n go ua d v i s o r ：g o n g m i n g a l l i u mn i t r i d e ( g a n ) a n ds i l i c o nc a r b i d e ( s i c ) a r ep r o m i s i n gw i d eb a n d g a p m a t e r i a l sf o rf a b r i c a t i n gb l u el i g h te m i t t i n ga n de x t r e m e l yu s i n gd e v i c e s t h e ya r e e x p e c t e d t o p e r f o r m i nt h er a d i a t i o ne n v i r o n m e n to fm i l i t a r ya n da s t r o n a u t i c d o m a i n s i nm o d e md e v i c et e c h n o l o g y ，e l e c t r o ni r r a d i a t i o na n di o ni m p l a n t a t i o n a r eu s u a l l ye m p l o y e d ，i nt h i sa r t i c l e ，i r r a d i a t i o ne f f e c t so fg a na n d6 h s i ch a v e b e e ns t u d i e d p h o t o l u m i n e s e n c e ( p l ) m e a s u r e m e n t s h a v eb e e n p e r f o r m e d n t y p e g a n s a m p l e si r r a d i a t e dw i t he l e c t r o n sh a v i n ge n e r g i e so f 0 3 m e v l0 5 m e klm e va n d 1 7 m e vw e r es t u d i e d ，i nw h i c ht h ei r r a d i a t i o n i n d u c e dd e f e c t sb yl o w e re n e r g i e so f o 3 m e va n do 5 m e vh a v em o r eq u e n c h i n ge f f e c t i v i t yo nt h eb l u el u m i n e s c e n c e ( b l ) b a n dt h a no nt h ef r e e e x c i t o n ( f e ) ，t h ed o n o r - b o u n de x c i t o n ( b d e ) a n d t h e l o n g i t u d i n a lp h o n o nr e p l i c a s ( l o ) l i n e s o nt h ec o n t r a r y , t h ed e f e c t si n d u c e db y h i g h e re n e r g i e s e l e c t r o n sw i t h1 m e va n d1 7 m e vh a v em o r eq u e n c h i n ge f f e c t i v i t y o nt h ef e ，t h eb d ea n dt h el ol i n e st h a no nt h e ( b l ) b a n d t h r e en e ws h a r pl i n e s a t4 7 8 6n m ( 2 5 9 e v ) 、4 8 3 3r i m ( 2 5 6 5 e v ) a n d4 8 6 1 n m ( 2 5 5 l e v ) w e r eo b s e r v e d i nt h ea s i r r a d i a t e dn 。t y p e6 h s i cs a m p l e sa f t e rn e u t r o n ，o 5 m e va n d1 7 m e v e l e c t r o n si r r a d a t i o n s ，r e s p e c t i v e l y t h e yr e m a i nal i t t l ea f t e r3 5 0 。ca n n e a l i n g ，a n d d i s a p p e a r a f t e r 5 0 0 a n n e a l i n g ，w h i c h a r e s u g g e s t e d t o o r i g i n a t e f r o m m o n o v a c a n c y l i k e d e f e c t si n d u c e d b y i r r a d i a t i o n i nt h ep - t y p en e u t r o n a n d e l e c t r o n i r r a d i a t e d6 h s i cs a m p l e s ，as e r i e so fh i g hi n t e n s i t ys p e c t r ad u et o t h e d ap a i r sw e r eo b s e r v e db yl o w t e m p e r a t u r ep h o t o l u m i n e s e n c e n oa n yo t h e r a b s t r a c t r a d i a t i o nr e l a t e ds i g n a l sc o u l db eo b s e r v e d 0 3a n do 5 m e ve l e c t r o n i r r a d i a t e dp - t y p e6 h s i cs a m p l e sw e r es t u d i e db y d e e p l e v e lt r a n s i e n t s p e c t r o s c o p yf d l t s ) ，t nt h e o 5 m e ve l e c t r o ni r r a d i a t e d s a m p l e ，b o t hd e e pl e v e l sh 1a n dh 2h a v eb e e no b s e r v e da sr e p o r t e di ni 7 m e v e l e c t r o ni r r a d i a t e d s a m p l e s i nt h e0 3 m e ve l e c t r o ni r r a d i a t e ds a m p l e ，h o w e v e r , o n l yt h ed e e pl e v e lh 1e x i s t e d b yc o n s i d e r i n gt h em i n i m u me n e r g yr e q u i r e dt o d i s p l a c et h eca t o mo rt h es ia t o mi nt h es i cl a t t i c e ，i tw a sc o n c l u d e dt h a tt h e g e n e r a t i o no f t h eh ii n v o l v e st h ed i s p l a c e m e n to ft h eca t o m a n dt h eg e n e r a t i o n o ft h eh 2i n v o l v e st h ed i s p l a c e m e n to ft h es ia t o m 。d u et ot h es i m i l a ra n n e a l i n g b e h a v i o r so fh 1 ，h 2a n dv c ，v s ii np a ss t u d i e s ，i tm a yi n d i c a t et h a tt h eh 1i s a t t r i b u t e dt ov c ，a n dh 2i sa t t r i b u t e dt ov s i 。 i na d d i t i o n ，t h ei r r a d i a t i o ni n d u c e df a i l u r eo fg a nu l t r a v i o l e tp h o t o d e t e c t o r h a sb e e ns t u d i e d i tw a sc o n c l u d e dt h a tt h ep o s i t i v ec h a r g ei ns i 0 2p a s s i v a t i o n l a y e ro nt h es u r f a c em a dt h ei n t e r f a c es t a t e s a ti n t e r f a c e ，p r o d u c e db yi o n i z a t i o n ， w e r et h ep r i m a r yr e a s o n so ft h ef a i l u r e t h ed e g r a d a t i o no fs c h o t t k yb a r r i e ri st h e o t h e rm a i nr e a s o n k e y w o r d ：g a n 6 h s i ci r r a d i a t i o n i n d u c e d d e f e c t p h o t o l u m i n e s e n c e dl r r sf a i l u r e 第一章综述 第一章综述 所谓宽禁带半导体材料，一般是指禁带宽度在2 2 e v 以上的材料，例如， i i 一族化合、i 族氮化合物( i i i n ) 、碳化硅s i c 的多种同质异型体，金 刚石以及他们的合金。表1 1 列出了部分目前最受瞩目的几种宽禁带材料和硅 等常见材料的有关数据。1 2 a4 1 表1 2 列出了一些材料相对于硅的规一化品 质参数。 表1 1 部分宽禁带材料与s i 、g a a s 的有关参数 材料参数s ig a a sg a p z 舀i 麟、 a l n ；渗蠢蠢糕；e 懿s 怒j金刚石 晶格常数( 如 55 656 7 5 4 5 0 i 囊、黪 a3 1 0 羹萋篱鹈藜囊+ 囊荔9 黪 3 5 6 7 鬻j 羹 c4 9 8臻鬻麓豢 鬻鹾攀 热膨胀系数( 1 0 * k - i ) 2 4 46 04 8 8 囊麟 a4 5 黧鬻 o 0 8 囊囊熏“ 密度( g c m - 3 ) 2 3 2 85 3 0 74 1 2 9 7；诵鳞3 2 5 5 蠢鬻裁 慧鬟i 瀵鞣； 3 5 1 5 熔点( )1 4 2 01 2 3 81 4 6 7 i 躐滁# 2 4 0 0羹溺醚 鬻黪嚣 4 0 0 0 禁带宽度( e v ) 1 1 21 4 2 42 6 1 i i 鬻攀 6 2愿篆鞠；鬻 “灞曝囊 55 电子饱和速度( i o r a s ) 1 01 9 81 4 臻纛 1 8 2 震然 + 鬃绷蒸； 2 4 8 迁移率皇荛( c 。玑r s ) 1 5 0 08 5 0 01 5 0 藿蒸i 3 0 0 豢鏊 2 2 0 0 6 0 04 0 01 2 0 ；j 8 5 氍i1 6 0 0 击穿电场( 1 0 6 v c m 1 )o 3 70 407 镬灏麟 1 4 4 辫l 溅1 | 囊熬鬻 7 相对介电常数 1 181 2 91 1 1 鬻辚 8 7 3 l 蘸熏麓 5 s 5 电阻率( q c m )1 0 0 01 0 8 l 麟 1 0 1 3 i 纂翻熏蒸麓 1 0 1 3 导热率( w c m 。k “)1 50 4 6o 5 i 鬻 2 5 蘩蒸麟藜 2 0 折射率3 4 2 24 0 2 53 4 5 2蕤貉霪2 1 5瑟虢霞霞簸i 凌一 温度优值2 2 03 9 4鬻诵黼i3 0 0 0 骥麟i鬻黪翳l 2 7 2 7 本征温度( k )6 0 09 0 09 0 0 霪粪鬻蕤鬻翼熏麓麟 3 0 0 0 p 型 有文献为3 o 1 0 6 v c m 有文献为2 2 1 0 6 v c r l l 第一章综述 表1 2 一些材料相对于硅的规一化品质参数 s ig a a s0 a p 删i a l n。3 誉磷 。誊睡l 委 n 金刚石 p 金剐石 临界电场e t1 0 6 v c m03 70 4 0 7孽1 母 14 4 鲻爱一i蕊舞i 7 e 饱和速度v s1 0 6 c m s1 01 9 81 4 灏攀 1 82、叠醇， t 蘸、勰。i 2 48 相对介电常数， 1 181 2 91 ll ：浮霆黪 87 3毒虫l 鬟。： i | | 囊蘸糕i 55 5 热导率 w ( c m 。c ) 150 4 605 黎囊萋 25 慧誊糍； 鍪嚣醚翔 2 0 q j o h n s o n 网子 121 62 6 8 、勰，鹈； 71 5 ：喊黪】_ ! i ；瓣燃黪 4 7 3 9 k e y e s 因子 104 l04 9 鏊辫i 26 2 餮碧碧鬻蘧 l 女舞赋 3 0 7 7 b a l i g a 因子 l1 l2 806 2 鬻l 1 4 89 3耋囊篝 蓬；蘩辫 2 1 87 2i7 58 3 场效应器件最高频率 鬻、 i 溪蒸 鍪； 90 771 6 o = uo e g o ，s 0 1 7 2 l69 20 1 5 黪 4 7 4 o = “0 e i o 16 1 30 1 42 82 8 瓣鋈 2 39 61 89 2 高频功率损耗闪于ue t 2 l6 6 2o2 6 囊瓣攀 1 1 0 0 慧囊；爨曦蘩躐鬻 4 5 33 73 5 79 3 热品质因子 誊2 j 鬻? 窭 蒺34 1 0 44 , 2 1 0 4 、 i 露 q f l o = u r e t 3 l240 1 6i l 罐53 1 0 4j 囊襞零萋i 1 i q f 2 0 = u r e t 4 1260 3 鬻 2 1 1 0 6鲞躐辫 蕤 1 0 680 1 0 5 翻 l 勰、 40 1 0 33 2 1 0 3 q f 3 0 = u r e t 3 l7 80 4 7 囊毒 32 1 0 4飘 由表可知，宽禁带材料主要有以下特征：禁带宽度大，临界电场高，电子饱 和速度高，导热率高，本征温度高；因此被寄希望用于高温器件，激光器，电荷 耦合器件，高速储存器，低暗电流的光探测器，大功率的放大器件、开关器件 和二极管，毫米波放大器等。 现在比较成熟的宽禁带半导体材料主要包一族的s i c $ 1 】i i i v 族的 g a a s 、g a p 、g a n 等化合物半导体。其中，又以s i c 和g a n 及其i i i n 化合物倍 受瞩目。 本文要研究的宽禁带半导体g a n 和s i c 被寄希望于在较高温，并且常常是 在辐射环境下运用，如在军事，宇航，核科学等领域得到运用。并且从工艺上 看，离子注入也是材料掺杂的重要方式，并且低能电子辐照也是激活g a n 掺杂 第一章综述 粒子的重要手段。本文研究了辐照对g a n 和s i c 材料的光学和电学性能的影响， 获得辐照对基于g a n 和s i c 材料的器件在光学和电学方面的影响和限制条件。 本章将对s i c 和g a n 材料的基本性质和主要工艺简单介绍，由于本论文的 主要研究方向是材料的辐照特性，因此在本章还将介绍一下半导体辐射损伤机 理。 1 1s i c 半导体材料和工艺 1 1 1s i c 材料 1 i i 1s i c 材料基本性质 s i c 材料f 5 】是一种宽禁带半导体材料，它具有自己独特的电学特性，s i c 的电学性质与结晶形态有关。参见表1 1 ，1 2 。 这些性质使s i c 器件在许多工业及军事领域里都有很大的应用优势，由 于具有工作于极端条件下的性能，因此，s i c 器件成为进一步提高性能的理想 材料，如雷达和通讯领域的功能更强大的微波电子器件，节能型喷气飞机和汽 车发动机的传感器和控制等等。 s i c 是一种一族二元间接带隙化合物半导体。按照晶体化学的观点， 构成的两种元素，每种原子被四个异种原子所包围，通过定向的强四面体键 s p 3 【6 1 结合在一起，并有一定程度的极化。硅的电负性为1 8 ，碳的电负性为2 6 ， 由此确定离子性对键合的贡献约1 2 【7 1 。s i c 有很强的离子共价键，这反映了 是一种结合能量稳定的结构，表现在它具有很高的原子化能值，达到 1 2 5 0 k j m o l 。s i c 还具有很高的德拜温度，达到1 2 0 0 - - 1 4 3 0 k ，因此决定了材 料对于各种外界作用的稳定性，在力学、化学方面有优越的技术特性。s i c 的 热学稳定性也比较高，在常压下不可能熔化。s i c 在高达2 1 0 0 。c 下升华并分解 为碳和含硅的蒸气，残留下来的石墨以原晶体的赝形存在。在3 5 a t m 下，在 2 8 3 0 。c ( 4 0 ) ”3 时发现的转熔点，低于1 5 0 0 。c 时s i c 具有相当的稳定性。通 常表面形成一s i 0 2 薄层防止进一步氧化。在高于1 7 0 0 。c 的温度下，这层s i 0 2 熔化并迅速发生氧化反应 9 1 。s i c 能溶解于熔融的氧化剂物质，如熔融的碱或 混合物。在3 0 0 。c 下可溶于碱。在9 0 0 1 2 0 0 。c ，s i c 与氯气迅速发生反应，也 第一章综述 能与c c l 4 迅速发生反应，这两种反应都留下石墨残留物。s i c 与氟在3 0 0 的 反应没有任何残留物【1 0 j 。由于常用的杂质在s i c 中的扩散系数都很低，所以 对s i c 的掺杂只能采用离子注入的方法。a 1 ( 铝) 和b ( 硼) 在s i c 中具有较 浅的能级，其杂质能级分别在价带以上0 2 1 e v 和0 3 e v ，但通常选a l 作为p 型掺杂物，n 型掺杂以n ( 氮) 为主，杂质能级在导带下0 1 0 1 5 e v 。这些杂质能 级与s i 中的杂质能级相比仍然属于深能级，这将引起型和型材料在电学性质 上有所区别【l l 也】。六角结构的s i c 为无色，在掺入铝和氮以后分别呈蓝色和 绿色。立方结构的s i c 透射和反射黄色。 1 1 1 2s i c 晶体结构 s i c 晶体结构具有同质多型的特点，即在化学计量成分相同的情况下具 有不同的晶体结构，多型体的区别仅在于每一s j c 原子对堆垛次序不同。如 立方密积闪锌矿结构、六角密积纤维锌矿结构及菱形结构。分别记做c 、h 、 r 。该字母前数字表示密排方向每一堆垛周期中s i c 层的数目。一般把六角和 菱形结构的多型体称为a s i c ，把立方结构的口q 做b s i c 。常见的结构有 3 c s i c f1 3 s i c ) 、4 h s i c 、6 h s i c ( a s i c ) ，其原子排列如图1 1 所示，其中a 、 纂一攀 图11s i c 的原子排列示意图 b 、c 为每对s i c 原子对以密排形式在原有s i c 原子层上堆垛时对应的位置。 其中k 和h 代表处于立方结构和六方结构的格点位置，被称为不等价 第一章综述 ( i n e q u i v a l e n t ) 位置，不同的多型体具有不同的不等价位置，处于不等价位置 上的缺陷在材料的电学和光学性质上的反映是不同的。 1 1 2 s i c 的工艺 1 1 2 1 s i c 单晶生长 s i c 作为一种半导体材料，在几乎所有的物理和化学性质方面都优于目前 占统治地位的s i 1 3 叫5 1 ，但长期未受到人们的重视，其主要原因便是s i c 单晶 的制备十分困难。1 9 5 5 年菲力浦研究室的l e l y 首先在实验室用升华法制备成 功杂质数量和种类可以控制的具有足够尺寸的s i c 单斟1 0 】，该法是将具有工 业级的s i c 块放入碳坩埚中。加热到2 5 0 0 ，在此温度下s i c 发生明显的分 解与升华，产生s i 和s i c 蒸气压，在高温炉内形成的温度梯度作用下向低温 方向输送并凝聚在较低温度处，形成s i c 晶体。这个过程是一个“升华一凝聚” 的过程，这种方法被称为l e l y 法。 s i c 晶体具有多晶结构，目前已被证实的多型体超过2 0 0 种。采用改良的 l e l y 法后，已能生长出4 h s i c 和6 h - s i c 单晶，由于生长工艺的成熟性以及 较好的重复性，在电子器件中应用比较广泛。目前商业化的4 h 一和6 hs i c 单 晶材料，“微管道”缺陷已可降低到5 c m ，6 h s i c 体单晶片直径已经为 7 6 2 r a m ( c r e e 公司2 0 0 3 年产品目录w w w c r e e c o m ) 。 1 1 2 2s i c 薄膜的生长 s i c 薄膜是通过外延的方法生长的，外延生长s i c 薄膜的方法很多，包括 溅射法、化学气相沉积法( c v d ) 、液相外延( l p e ) 、物理气相沉积( p v d ) 等 方法，其中c v d 生长技术尤为常用，其特点是生长温度低( 1 3 0 0 1 3 9 0 ) ， 生产批量大，薄膜均匀性好，易控制等。s i c 外延技术可以以衬底材料的不同 分为异质外延和同质外延生长。前者以s i 单晶为衬底，s i 单晶衬底纯度高， 成本低，生长重复性好，缺点是晶格失配和热膨胀系数失配均较大，使s i c 层 出现高密度的失配位错与堆垛位错，并伴有微孪晶和反相边界( a p b s ) 等缺陷， 影响膜的质量和电学性质，同时这种外延片的器件工艺适应性较差。近年来， 第一章综述 随着体单晶生长技术的成熟，以6 h s i c 为衬底的同质外延生长技术也已成熟， 这种工艺由于晶格失配系数小，热膨胀系数接近，生长的外延缺陷少，界面陡 峭。与s i 衬底的外延片相比，以6 h s i c 为衬底生长的s i c 外延膜结晶质量好， 缺陷密度小于1 0 5 c m - 2 。 目前能在6 h s i c 衬底上生长4 h 一、6 h s i c 及3 c s i c 外延膜，外延生长掺 入的氮可在5 x 1 0 1 t 一1x 1 0 ”c 1 1 。3 间调节，p 型受主a 1 浓度已可达1 1 0 ”a m 。 ( c r e e 公司在2 0 0 3 年产品目录) 。 1 1 2 3 离子注入工艺 杂质在s i c 中扩散系数很低 16 】，需要在很高温度( 2 0 0 0 以上) 时s i c 中杂质扩散系数才能达到s i 在l 1 0 0 。c 时的扩散系数。通常在很高的温度下选 择性扩散使用的保护膜s i o 。已经起不到保护作用，其它的一些保护膜如：氮 化物等，也会在这么高的温度下也要发生部分分解 1 ”。因此s i 工艺中的热扩 散工序在s i c 中的运用受到限制，一般主要采取离子注入的方法实现对s i c 的掺杂。离子注入后需要高温退火使得这些杂质从空隙位景转换到替换位置。 n ( 氨) 与p ( 磷) 是s i c 中典型的n 型杂质，丽a l ( 铝) 和b ( 硼) 是典型的p 型 杂质。s i c 中的杂质离子通常是在6 0 0 8 0 0 。c 下情况引入，接着在1 0 0 0 1 7 0 0 高温下退火( 可以多次退火) 5 - 9 0 m i n 来激活杂质。目前主要研究的是寻找 最佳的退火温度和最优退火时间来尽量减小薄层电阻和消除残存的缺陷f 】剐。 1 1 2 4 欧姆接触 s i c 半导体材料制作器件，就存在金属半导体接触的问题。我们知道s i c 器件具有比s i 特殊优势如高温、高频和大电流特性，在这些极端条件下，器件 的稳定性要依赖于金半接触的稳定性。目前在制作高温器件的一个主要方向就 是研究形成良好的欧姆接触性能，使得它能在高温下稳定的工作。通常情况下， p 型s i c 上的欧姆接触电阻要比在r l 型的大，主要是在p 型s i c 上肖特基势垒 高度较高，因此p - s i c 实现欧姆接触较困难。过去报道的在p 型s i c 实现欧姆 接触材料般是基于a 1 的合金，包括单层或者多层结构，现在国际上许多研 究中已经不采用a l ，而使用s i c o 、m o 、y i 和t a 等材料来实现欧姆接触的工 第一章综述 艺方法。这些工艺避免了a 1 工艺在退火的时候由于氧化和挥发的负面效应。 一般情况下，为了得到小的接触电阻一般采用较高的温度退火( 大于8 0 0 。c ) ， 这样也会给器件结构施加很大的应力，严重时由于交互作用导致器件失效 “l 。 所以小于7 5 0 。c 的退火是人们研究的热点2 0 1 。 1 1 2 5 s c h o t t k y 接触 s i c 电子学的s c h o t t k y 接触的金属包括n i ，n i c r ，a u ，p t ，t i ，m g ，c o 。a 1 ，h f 和p d 。实际s c h o t t k y 势垒高度受到材料表面质量、金属沉淀工艺、晶型、导 电类型( n 型或p 型) 以及表面为s i 面还是c 面等的影响。在s i 面上，对于 6 h s i c ，a u 和n i 可以获得最高的两个势垒高度：1 4 7 e v 和1 2 7 e v 。还有很 多金属如n i 和t i ，既能形成s c h o t t k y 接触又能形成o h m 接触，通过短时间 的高温退火( 9 0 0 ) ，就能将s e h o t t k y 接触转变成o h m 接触。一般说来由 于表面的钉扎效应，a l 、a g 、a u 等均可以与s i c 形成良好的s c h o t t k y 接触， 且势垒高度与金属种类关系不大t 2 0 , 2 】。 1 1 2 6 氧化工艺 s i c 是唯一可以通过氧化生长一层$ i 0 。的化合物半导体材料，这使得在氧 化工艺方面可以用现有的s i 平面工艺条件实现对s i c 的氧化。s i c 的氧化层 与s i 器件s i o ：具有相似的作用，如作为工艺过程的掩膜、器件结构中的绝缘 层、以及器件表面的钝化层等等。 s i c 氧化和s i 的氧化有着不同的特点，s i c 氧化的时候伴随c o 、c 等产物 的释放，使得其在获得高质量的s i o j s i c 比较困难。目前许多研究人员使用 不同的方法来提高s i o ：层的质量和s i o 。s i c 的界面特性，包括使用改进的r c a 清洗方法、惰性气体或混合气体退火和后氧化退火等工序，都不同程度的减少 界面态密度和氧化层的有效电荷 2 2 , 2 3 1 。 1 2 g a n 材料和工艺 1 2 1 g a n 材料基本性质 第一章综述 g a n 基i i i v 族氮化物宽禁带半导体通常是指g a n ，a 1 n 和i n n 等材料，它 们在蓝光和紫外光电子学技术领域站有重要地位，也是制作高温、大功率半导 体器件的理想材料。g a n 按晶体结构可分为2 h 的纤锌矿型g a n ( h - g a n ) 和3 c 的闪锌矿型g a n ( c g a n ) 两种。以蓝光辐射为中心形成研究热点的是纤锌矿 结构的氮化镓、氮化铝、氮化锢，而且主要是它们的固溶体。这些材料的禁带 是直接跃迁型，因而有很高的量子效率。 纤锌矿g a n 一no - g a( 0 0 0 1 ) l闪锌矿g a n 一no - - g af 】1 i ) i 篱獬。c 僦、 燃i a ：群嫩w妁3 徽c r 工r ，掣 掣 l ：i 。jj 。j ，k ，e j 丫地獭 琏糍a 。敖渊 图1 2 纤锌矿结构( 2 h ) 与闪锌矿结构( 3 b ) b a n 多型的结构示意图 非掺杂g a n 均为i 3 型，本底电子浓度在l o ”4 t 0 ”c m _ = 左右，呈现高电 导；p - g a n 一般属补偿材料，目前可控掺杂浓度在1 0 “1 0 “c m - ：之间，并能对 材料退火来实现p 型导电。氮化合物中载流子的迁移率在低温时主要受到电离 杂质的制约，高温时则主要受到光声学波子的制约。n g a n 在室温和7 7 k 下 的电子迁移率分别为1 5 0 0 c m 2 v s 和6 0 0 c m 2 v s 。 通常，g a n 结晶成h - c a n ，这与其它i i i - - v 族化合物不同；采用m o c v d 和 g s m b e ( 气源体分子束外延) 可制得c 一6 a n ，这其中最为重要的是选取合适的n 源( 有高度活性) 。与h - g a n 相比，c g a n 晶体结构的对称性高，具有易于解 理、带隙小( 激子能隙3 2 7 o 0 1 e v ( 4 ，2 k ) ) ，比h - g a n d 的小0 2 e v 左右) ， 迁移率较高等特点。 b a b a b a b a 第一章综述 1 2 2 g a n 的工艺 1 2 2 1 g a n 晶体的外延生长 现在使用的g a n 材料是外延生长的。1 9 6 9 年，m a r u s k a 等人利用气相输运 方法1 2 4 j 首次外延生长出g a n 单晶薄膜。在该方法中，h c i 蒸汽流过液态g a ， 生成g a c l 并继续向下流动，在衬低上g a c l 与n h 。混和，发生下列化学反应： g a c l + n h 3 = 今g a n + h c l + h 2 由于生长速率很高( o 5 “m m i n ) ，能够淀积超厚薄膜。然而，用气相输 运生长的g a n 薄膜有很高的n 型背景载流子浓度，其值可达1 0 ”c m 。用改进 的方法可以将g a n 中的无意识掺杂浓度降到1 0 1 6 c m 。3 。m a r u s k a 的方法是近代 m o v p eg a i n 生长技术的早期版本。在m o v p e 中，三甲基镓( t m g ) ，三甲 基铝( t m a ) 或三甲基铟( t m i ) 在温度接近1 0 0 0 。c 【2 5 j 的衬低上与n h 3 反应， n a k a m u r a 等人1 2 6 j 设计了在一个大气压下氮化物生长的m o v p e 反应器并获得 了成功。用h 2 稀释的反应气体通过石英管进入生长区域。m o v p e 方法的缺 点是热分解n h 3 所必须的高温衬低温度。由于与衬底材料之间存在的热失配 和晶格失配，生长后的冷却过程中在氮化物薄膜中引入大量的应力和缺陷。同 时，高温生长温度还会激励一些不良效应。用于生长氮化物的衬底材料已有多 种，如蓝宝石( - - a 1 2 0 3 ) 、s i c 、s i 、l i g a 0 2 、g a a s 、m g o 、g a p 及z n o 等， 其中蓝宝石和s i c z 最为常用。对于用异质外延方法获得氮化物薄膜，在衬底 上引入缓冲层以改善薄膜质量显得很重要，尤其是在蓝宝石基片上效果很明 显，在s i c ”1 、g a a s 2 8 埽口s i 2 9 1 衬底上的缓冲层对改善薄膜质量也有一定作用。 有g a n 和a 1 n 两种缓冲层。在外延生长时用a 1 n 作为缓冲层使薄膜质量得到 显著提高。在a 1 n 缓冲层上生长的g a n ，其迁移率增大了1 0 倍而且背景载流 子浓度下降了2 个数量级，薄膜结晶质量有了明显提高。氮化物半导体材料制 备中的难点之一是对氮化物电学性质的控制，最有可能的天然缺陷是n 空位 ( v n ) ，具有施主态性质，其结合能为4 0 m e v 口。 1 2 2 2g a n 的掺杂 要实现g a n 的p 型掺杂，首先要对无意识掺杂进行补偿。用m g 杂质补偿的 g a n ，经低能电子束( l e e b i ) 辐射可转换为p 型3 ”。在n 2 气氛下7 0 0 热退火 第一章综述 也可以得到p 型材料。利用这种方法可以得到掺杂浓度为3 1 0 1 8 c m 一、电阻 率为0 2 q e l t i 的g a n f j “。这主要是由于以n h 3 为n 源时，n h 3 在4 0 0 左右即热分解，原子h 扩散到g a n 中的m g 结合生成m g - - h 键，使受主m g 钝化，故g a n ：m g 程高阻状态。采用热退火或电子辐射能够使m g - - h 键断开， 将m g 激活。但是这个过程是可逆的，当在n h 3 下退火时，g a n 又可以回复 为绝缘体。由此发现h 也是一种重要的补偿剂。用无氢生长技术，特别是用 e c r m b e ，在生长纤锌矿结构和闪锌矿结构的g a n 中实现了p 型导电。由于 m g 具有大的结合能( 1 5 0 m v - - 2 0 0 m v ) 以及剩余h 杂质的存在，通常得到的 受主活化率仅为1 0 一l o 一。因此，必须加入大量的m g 以提高g a n 的掺杂水 平。掺杂z n 可得到类似的结果。p l 和o d m r ( o p t i c a ld e t d c t e dm a g n e t i c r e s o n a n c e ) m g 和z n 在g a n 中的电离能分别为e a ( m g ) = 2 0 0 3 0 m v 和 e a ( z n ) = 2 0 0 3 0 m y 。 s i 和g e 是氮化物中的主要n 型掺杂剂，其中s i 更为常用。它们可实现 m o v p e 方法g a n 生长过程中的掺杂。s i 掺杂g a n 中载流子浓度可以达到1 0 “ - - 2 1 0 1 9 c m 一，而g e 掺杂产生的载流子浓度在7 1 0 1 6 一1 0 1 9 c m 3 之间。载流 子浓度随气体源s i h 4 和g a l l 4 呈线性变化。s i 是浅的类氢旌主。 1 2 2 3g a n 的欧姆接触 g a n 的肖特基势垒与金属功函数有关，这表明g a n 表面费米能级并未被 钉扎。用吲a u 与n 型g a n 接触，测得比接触电阻为7 8 x 1 0 - 4 q c m 2 。采 用a u ( 或a u 。n i ) 和a l 作为l e d 的p 型和1 2 型接触，得到器件的正向电流 为2 0 m a 时的工作电压为3 ，6 v ，表明比接触电阻值处于合理的范围。对n 型 0 0 1 7 c m 4 ) g a n ，欧姆接触用t i a l 金属化处理形成，在9 0 0 。c3 0 秒快速热退 火后得到比接触电阻为8 1 0 “q c m 2 。这种低比接触电阻可能是通过n 向 外扩散形成的固相t i n x 层。由于n 空位优势，表面g a n 是强n 型，电子可 以很容易隧道穿透它。 1 3半导体辐射损伤原理 辐射与物质的相互作用有两种基本的形式。其一，入射高能粒子的大部分 第一章综述 能量交付与晶格原子的外围电子，使其激发和电离，在材料中引起暂时或瞬间 的扰动，除去辐射源后，扰动立即消失：其二，入射粒子的剩余能量交付与晶 格原子，使之在晶格内产生位移。室温下，这种位移在长时间( 1 0 3 秒) 内都 不能恢复，故称之为永久损伤。位移效应对半导体材料的性能影响有三个方面： 1 ，多子去除效应。2 ，载流予迁移率的衰减。3 ，少数载流子寿命衰减。另外， 还有电离效应。电离会在器件表面钝化层中会产生正固定空间电荷，此外，还 可以形成电离陷阱，使钝化层半导体界面的界面态增加，引起表面复合电流 和沟道电流。下面分别讨论电子和中子对半导体的辐射效应，其中仅讨论晶格 原子位移所造成的体损伤。 1 3 1 电子辐照 高能电子与半导体晶体的相互作用是比较容易分析的。设想高能电子轰击 半导体晶格，若入射电子充分接近晶体原子核，致使库仑屏蔽失去作用时，就 会发生库仑散射。在此情况下，电子将其部分能量交付给晶格原子。可交付的 最大能量为 t m 一2 ( e e + 2 m e c 2 ) e e m c 2 式中，e e 为电子的能量，m e 为电子的质量，c 为光速，m 为晶格原子的质量。 对于硅来说，能量为1 兆电子伏的电子交付给硅原子的最大能量为1 5 4 电子伏。 由于库仑碰撞发生在相当长的距离内，故交付给品格原子的平均能量小得多。 交付的能量大于某个能量e d 时，晶格原子则可位移至间隙位置，成为间隙原 子，同时，在晶格中留下一个空位。所得到的间隙原子一空位对称为f r e n k e l 缺陷。与晶体内其它缺陷如位错等不同，这类缺陷均匀的产生于晶体中，故称 为点缺陷。e d 为位移阂能，对多数半导体材料，介于1 0 _ 2 5 电子伏之间。对 于s i c 两种原子的位移阈能e d = 4 0 e v t 3 3 】，对g a n 产生n 空位v n 仅需要 4 e v 。如果知道入射电子的能量和流量( 即每平方厘米中的电子数) ，就可 以算出每立方厘米内产生的f r e n k e l 缺陷数。g a h n 推导了每个入射电子平均产 生的位移原子数的表达式为 n f 屯。n o ( 1 3 1 2 ) 第一章综述 式中以为电子流量，钆为位移反应截面，单位为平方厘米，它表示入射粒 子与靶原子核作用范围和强度。n 。为每立方厘米中的品格原子数。以上产生 的空位缺陷还可以相互或与杂质结合形成双空位或空位一杂质缺陷复合体，这 些缺陷或复合体会在材料的禁带中引入深能级，对材料的电学和光学性质产生 影响。对于化合物材料可以通过控制辐照电子能量选择产生位移的原子种类。 1 3 2中子辐照 中子的辐射损伤机理比电子的更复杂，但其辐射的主要损伤机理仍然是晶 格原子往间隙位