（微电子学与固体电子学专业论文）sic基的高性能紫外光电探测器.pdf

2 0 0 5 年0 5 月中国科学技术大学硕士论文 摘要 第三代宽带隙( w b g ) 半导体材料s i c 具有高击穿场强、高饱和电子漂移 速率、高热导率及抗辐照能力强等一系列优点，特别适合制作高压、高温、高功 率、耐辐照等半导体器件，使得其在国民经济和军事等诸多领域有着广泛的应用 前景，已经引起了电子材料和微电子技术领域的广泛关注。 本文详细介绍了宽带隙半导体s i c 的性质、材料制备及器件方面的研究。着 重分析了以n 4 j t s i c 和金属a u 作肖特基接触，t i 、n i 、a g 合金作背底形成欧 姆接触，研制出的a u n 一4 h s i c 肖特基紫外探测器的优良性能。 测试分析了器件在高温高压下的光谱响应特性，响应范围在2 0 0 n m 4 0 0 n m 之间，室温无偏压下，响应峰值在3 2 0 n m ，响应半宽8 2 n m 。在高反压下( i o o v 以上) 探测器的光谱响应曲线出现了锐上升和锐截止，在2 6 0 n m - - - 3 8 0 n m 之间有 非常平稳的光谱响应；测试分析了器件在高压下的紫外光电响应的高增益特性， 反压1 5 0 v 下，增益可达到3 8 1 0 4 。在高温5 3 3 k 无偏压下，紫外响应特性仍然 保持良好。 2 0 0 5 年0 5 月中国科学技术大学碗土论文 a b s t r a c t s i l i c o nc a r b i d e ( s i c ) ，a so i l eo ft h et h i r dg e n e r a t i o ns e m i c o n d u c t o rm a t e r i a l ，h a sa l o to f g o o de l e c t r i c a la n dt h e r m a lp r o p e r t i e s ，s u c ha sw i d eb a n dg a p h i g hb r e a k d o w n f i e l d ，h i g h t h e r m a lc o n d u c t i v i t ya n d h i g h s a t u r a t i o ne l e c t r o nv e l o c i t y t h e s ep r o p e r t i e s m a k es i cap r e f e r r e ds e m i c o n d u c t o rf o rt h ef a b r i c a t i o no f d e v i c e si nh i 曲t e m p e r a t u r e ， h i g hf r e q u e n c y , h i g hv o l t a g ea n dh i g hp o w e r c o n d i t i o n s t h et h e s i sd w e l l so n i n t r o d u c i n g t h ep r o p e r t i e so fs i ca su l t r a v i o l e tp h o t o d e t e c t o r s a n do i li t sm a t e r i a l p r e p a r a t i o n a n dr e s e a r c ho ft h e i rd e v i c e s a u n - 4 h ，s i cs c h o t t k yu l t r a v i o l e tp h o t o d e t e c t o r sw e r ef a b r i c a t e du s i n gw i d eb a n d s e m i c o n d u c t o rn 一4 h - s i ca n dm e t a la ua ss c h o t t k yc o n t a c ta n do h m i cc o n t a c to ft i 、 n i 、a ga l l o y so n t h eb a c ks i d e w eh a v em e a s u r e da n da n a l y z e dt h e s p e c t r u mr e s p o n s ec h a r a c t e r i s t i c s a th i g h t e m p e r a t u r ea n dh i g h r e v e r s eb i a s e dv o l t a g eo ft h ed e v i c e s t h er e s p o n s ew a v e l e n g t h r a n g ei sb e t w e e n 2 0 0 n ma n d4 0 0 r i m a tr o o m t e m p e r a t u r ew i t h o u tb i a s e dv o l t a g e ，t h e r e s p o n s ep e a k h a sb e e nf o u n da t3 2 0 r a na n dt h eh a l fw i d t ho f r e s p o n s ew a v e l e n g t hi s 8 2 n m t h es p e c t r u mr e s p o n s ea n dc u t o f fv e l o c i t yo ft h ed e t e c t o r si n c r e a s e ds h a r p l y a th i g hr e v e r s eb i a s e dv o l t a g e ( a b o v eo n eh u n d r e d v o l t a g e ) a n dt h es p e c t r u mr e s p o n s e c u r v e sa r e v e r yp l a i nb e t w e e n2 6 0 n ma n d3 8 0 n t o w eh a v ea l s om e a s u r e da n d a n a l y z e dt h eh i g hg a i no f u v s p e c t r u mr e s p o n s ec h a r a c t e r i s t i c sa th i g h r e v e r s eb i a s e d v o l t a g eo f t h ed e v i c e s t h eg a i ni sa b o u t3 8 x1 0 4a t1 5 0 vr e v e r s ev o l t a g e a t5 3 3 k w i t h o u tb i a s e dv o l t a g e ，u vr e s p o n s ec h a r a c t e r i s t i c so ft h ed e v i c e sr e m a i n e dv e r y w e l j 2 0 0 5 年0 5 月中国科学技术大学硕士论立 第一章绪论 1 1 第三代半导体材料宽禁带半导体 宽禁带半导体是自第一代半导体材料( 以s j 为代表的元素半导体) 和第二 代半导体材料( g a a s 、g a p 、i n p 等化合物半导体) 之后发展起来的第三代半导 体材料。这类材料主要有s i c 、g a n 、z n o 、a i n 、z n s e 以及金刚石薄膜等。 对电子技术发展方向的分析表明，除信息处理系统的基础元器件迅速发展以 外，在超高频和光电子领域，被称为“极端电子学”器件正在“雪崩”似地增长。 极端电子学器件是指在极端条件下使用的器件以及具有极端特性的器件，可分为 以下三类器件：在高温、辐射和具有腐蚀性环境下使用的器件；在超高压和超高 电流密度电子系统中使用的器件；在超高功率一频率指数电子系统中使用的器 件。宽禁带半导体以其具有的宽禁带特性以及由此带来的各种极端特性成为了极 端电子学器件的基础材料【l 】。 以s i 和g a a s 为代表的传统半导体材料的高速发展推动了微电子、光电子技 术的迅猛发展，然而受材料性能所限( 取决于晶体结构和能带结构) ，用这些材 料制成的半导体器件大多只能工作在2 0 0 以下，而且其抗辐射、耐高压以及发 光特性等方面的性能越来越难以满足现代电子技术的发展要求 甜。s i 材料的半导 体工艺是目前所有半导体中最成熟的工艺，而且s i 具有迁移速率高、机械性能 优良以及s i 元素在地球上储藏丰富等优点，所以到现在s i 仍然是制造半导体器 件的主要材料。但是s i 材料也存在很多缺陷，这些缺陷大大限制了它的应用。 比如，s i 的热导率低( 约为1 5 w c m k ) 【3 】，散热慢，使得s i 器件无法在高温 下工作。s i 的禁带宽度小( 室温下约1 1 e v ) 【4 】，使得s i 器件对紫外光响应很小， 这就限制了s i 器件在紫外光电特性方面的应用。另外s i 的耐化学腐蚀性能差， s i 器件需要较多的保护以消除恶劣环境的影响。g a a s 材料的电子迁移率很大 ( 8 5 0 0 e m 2 v s “) 【3 】，但其热导率( o 5 4w c m k ) 【3 j 比s ib 5 4 , ，禁带也较 窄( 室温下约1 4 2 e v ) 【4 】，所以它的应用也受到了很大限制。 s i c 材料具有宽带隙、高热导率、高临界击穿电场等优点【5 i ，在高温、高频、 大功率、光电子、抗辐射及紫外器件等方面具有巨大的应用潜力。s i c 与s i 、g a a s 2 0 0 5 年0 5 月 中国科学技术大学硕士论文 主要性能的比较详见表1 1 1 。分立晶体管器件在高频大功率应用方面的特性即 是否具有良好的高频大功率性能，主要取决于击穿临界电场e 和电子饱和漂移 速度v 。的乘积。以q = ( 毛v 。万) 2 作为选择半导体材料该项性能的特征参数，s i c 与s i 、g a a s 的比较见表1 1 2 。晶体管在电路中的开关速度当然希望有高的饱和 速度，而随着集成度的提高，材料的热导率成为重要的限制性因素。以 r = 盯( v 。e ) “2 ( 口、v 。、占分别为热导率、饱和速度和介电常数) 作为衡量半 导体材料在这方面性能优劣的特征参数，如表1 1 3 所示，s i c 也具有潜在的优 势。 表1 1 1s i c 与s i 、g a a s 主要性能的比较【3 】 性能3 c s i c4 h s i c6 h s i cs ig a a s 带隙e v 2 33 23 o1 11 4 2 击穿电场m v c m “ 2 1 22 22 50 1 30 4 热导率w c m 3 23 7 4 91 50 5 4 k 一1 ( 3 0 0 k ) 峰值饱和速, 良1 0 7 c m s 1 2 522l2 电子迁移率c m 2 v 1 。s 18 0 01 0 0 04 0 01 4 0 08 5 0 0 空穴迁移率，c m 2 v 一s - 1l【4 0 1 1 51 0 14 7 14 3 0 介电常数9 7 29 6 61 1 71 2 8 表1 1 2 s i c 与s i 、g a a s 的9 值比较【3 材料 乜v c m - v ，c m s 一 q = ( 毛v ，石) 2与s i 的q 值 比 s i3 x 1 0 s 1 1 0 79 0x 1 0 2 31 0 g a a s4 1 0 5 2 1 0 76 4 8 x1 0 2 37 2 3 c s i c 4 1 0 62 ，5 x 1 0 71 0 1 3 2 1 0 2 31 1 2 5 8 6 h s i c4 x 1 0 62 1 0 76 4 8 0 1 0 2 37 2 0 2 2 0 0 5 年0 5 月中国科学技术大学硕士论文 表1 1 3s i c 与s i 、g a a s 的r 值比较p 材料盯w c m v 一c m s 1 占 r = 口( v 。) 1 7 2 与s i 的 k 1 ( 3 0 0 k )r 值比 s i1 51 1 0 7 1 1 71 3 8 1 0 21 o o g a a so 52 1 0 71 2 86 3 1 0 2 0 4 6 3 c s i c5 o25 1 0 7 9 78 0 3 1 0 25 8 0 6 h s i c5 02 x 1 0 71 0 07 0 7 1 0 25 1 2 注：表1 1 1 1 1 3 中个别数据略有差异，文献中原文如此。 由表1 1 1 1 1 3 可见，s i c 在高频大功率、集成电路应用方面，比目前广泛 采用的半导体材料s i 和g a a s 具有很大的潜在优势。 自1 9 9 6 年第一篇关于z n 0 室温下光泵紫外受激发射的报道发表【6 】后，z n o 很 快成为国际上研究半导体光电器件的新热点。z n o 是一种新型的i i v l 族宽禁带 半导体材料，具有优异的晶格、光电、压电和介电特性，无毒性，原料易得廉价， 和i i i v 族氮化物及i i - v i 族硒化物比具有很好的热稳定性和较高的化学稳定性 等优点【”。首先，它是一种直接带隙宽禁带半导体，室温下的禁带宽度与g a n ( 3 4 e v ) 相近，而它的激子结合能( 6 0 m e v ) 却比g a n ( 2 1 m e v ) 高出许多，因 此产生室温短波长发光的条件更加优越；而且z n o 薄膜可以在低于5 0 0 。c 温度下 获得，不仅可以减少材料在高温西制备时产生的杂质和缺陷，同时也大大简化了 制备工艺：同时z n o 来源丰富，价格低廉，又具有很高的热稳定性和化学稳定性。 由于具有这么多的优异性能，z n o 在发光器件、表面声波器件、紫外探测器、太 阳能电池以及集成光学等领域【8 】有着广阔的应用前景。 1 2 本论文主要工作 本论文有五章，其中主要内容有四章，分别简单介绍如下。 第二章综述了宽禁带半导体材料s i c 的性质、制备方法和工艺及s i c 器件的 研究现状。 第三章是对s i c 紫外光电探测器高反压下增益性能的研究，详细报导了采 用宽禁带半导体材料n 4 h s i c 和金属a u 研制出的a u n 4 h s i c 肖特基紫外探 2 0 0 5 年0 5 月中国科学技术大学硕士论文 测器具有高增益、低暗电流( 反向1 0 v 室温时的漏电流为1 0 1 1 a ) 的雪崩光电 特性。高反压下( 1 0 0 v 以上) 探测器的光谱响应曲线出现了锐上升和锐截止， 在2 6 0 n r n 3 8 0 n r n 之间有非常平稳的光谱响应。无偏压下随温度的升高，光谱 响应曲线发生蓝移，工作温度高于2 6 0 ，紫外响应特性仍然保持良好。所以 该器件可以在高温下工作，由于其暗电流很低，甚至在温升时也可检测到低亮 度的紫外线。 第四章主要研究了采用宽禁带半导体材料n - 4 h s i c 和金属a u 研制出的 a u n ，4 h s i c 肖特基紫外探测器在高温、高压等极限条件下仍然保持良好的i v 特性及光谱响应特性。器件光谱响应范围2 0 0 4 0 0 n m ，室温无偏压下，响应峰 值在3 2 0 h m ，响应半宽8 2 n m ，反偏压下光谱响应灵敏度提高，特别在高反压下 ( 1 0 0 v 以上) 探测器的光谱响应曲线出现了锐上升和锐截止，在2 6 0 n m 3 8 0 n m 之间有非常平稳的光谱响应。无偏压下随温度的升高，光谱响应曲线发生蓝移， 工作温度高于2 6 0 2 ，紫外晌应特性仍然保持良好。所以该器件可以在高温下工 作，由于其暗电流很低，甚至在温升时也可检测到低亮度的紫外线。 第五章综述了宽禁带半导体材料z n o 的性质、目前各种制备方法的优缺点 及z n o 器件的研究现状。 第六章简单介绍了z n o 薄膜m s m 增强型紫外探测器。z n o 宽带隙，对紫外 光响应明显，利用这种特性可制作很多种结构的z n o 紫外探测器，比如异质结、 肖特基等。我们已成功研制出金属一半导体一金属( m s m ) 增强紫外光电探测器， 该探测器在2 0 0 h m 到4 0 0 n m 的之间有灵敏的光电响应，在3 7 0 h m 附近时有一个响 应的峰值停留，同时保留了s i 在4 0 0 n m 以上波长的光谱响应。 2 0 0 5 年0 5 月中国科学技术大学硕士论文 参考文献 1 】j e n n yj r ，m a l t ad p , m u l l e rs ge t a 1 j o u r n a lo fe l e c t r o n i cm a t e r i a l s 2 0 0 3 ，3 2 ：4 3 2 2 】 3 4 】 5 】 6 7 】 8 】 任学民s i c 单晶生长技术及器件研究进展半导体情报，1 9 9 8 ，3 5 ( 4 ) ：7 邓志杰s i c 晶体生长和应用半导体技术，1 9 9 8 ，2 3 ( 5 ) ：1 3 1 4 刘恩科，朱秉升，罗晋生，等半导体物理学国防工业出版社，1 9 9 7 ，3 6 7 3 6 8 m o r k o ch ，s t r i t es ，g a og b ，e ta 1 j a p p l p h y s 1 9 9 4 ，7 6 ：1 3 6 3 y up ，t a n gzk ，w o n ggkl ，e ta 1 r o o mt e m p e r a t u r es t i m u l a t e de m i s s i o n f r o mz n o q u a n t u m d o tf i l m s a 2 3 n di n t c o n f o nt h e p h y s i c s o f s e m i c o n d u c t o r s c s i n g a p o r e ：w o r l ds c i e n t i f i c ，1 9 9 6 ，2 ：1 4 5 3 1 4 5 6 吕建国，陈汉鸿，叶志镇z n 0 薄膜的研究与开发应用进展压电与声光，2 0 0 2 年1 2 月，2 4 ( 6 ) ：4 6 3 - - 4 6 6 章建隽，杨爱龄硅( 0 0 1 ) 衬底上生长的z n o 薄膜的a f m 研究电子显微学报， 2 0 0 2 ，2 l ( 1 ) ：3 9 5 2 0 0 5 年0 5 月中国科学技术大学硕士论文 第二章宽禁带半导体s i c 的性质、材料制备及器件的研究现状 2 1s 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情况下具有不同 的晶体结构，如闪锌矿结构、纤维锌矿结构和菱形结构。其中，纤维锌矿结构和 菱形结构的多型体一般统称 为n s i c ，闪锌矿结构的称为 b s i c t ”。 s i c 晶体的结构单元是四 个s i 原子形成的四面体包围 一个c 原子( 如图2 1 1 【1 1 ( a ) 所示) ，同时个s i 原子也被 四个c 原子形成的四面体所 包围。从c 平面到与其相邻的 上下两个s i 平面的距离比为 1 ：3 ，同样地每个s i 平面到 相邻的两个c 平面的距离比 也是1 ：3 。 ( o )的 o 一焉毽。簟二黯6 簟兰塘硅 第曩- 簟= 疆 图2 i 1s i c 中s i 和c 原子的位置和投影：( a ) s i c 四面体 ( b ) 一个四面体层的投影( c ) 纤维锌矿结构的两个毗邻四 把图2 1 1 ( a ) 的四面体 面体的投影( d ) 闪锌矿结构的两个毗邻四面体层的投影 中的上下两个s i 平面和中间的c 平面沿空间平展，然后投影使得到图2 1 1 ( b ) 所示的一个四面体层的投影( 图中第二层s i 平面s i 原子位置与第一层c 平面的 c 原子位置在投影上刚好重叠，而并非第二层c 平面) 。 如图2 1 1 所示，第三层s i 平面的s i 原子可以任意地占领两种位置：投影在 第一层s i 原子上( 图2 1 1 ( c ) 所示) 或投影在图2 1 1 ( b ) 中的空白三角形中 心( 图2 1 1 ( d ) 所示) 。由于四面体层特殊的交替排列顺序，导致了s i c 不同 结构的出现。如果所有第二个四面体层与前面的层平行，则形成立方结构( 闪锌 矿结构) ：如果所有的第二层与前面的层不平行，则形成六方结构( 纤维锌矿结 构) 。 6 2 0 0 5 年0 5 月 中国科学技术大学硕士论文 目前已被证实的s i c 多型体有2 0 0 多种。 s i c 晶体结构属于密堆积结构，密堆积有三种 不同的位置，如图2 1 2 1 】所示，分别记为a 、b 、 c 。不同的堆积顺序，形成不同的结构。如闪锌 矿型的3 c s i c ，其s i 原子堆积顺序( c 原子的 也是) 是a b c a b c ，这是立方结构； 锌矿型的2 h s i c 堆积顺序则是a b a b 纤维 。 酗2 1 j 艨予兰韩密堆裁健鼍的授馨 ，m 六方结构。不过，大多数的s i c 同质多型结构是立方和六方两种结构的混合体， 如4 h s i c 的堆积顺序是a b c b a b c b a 一6 h s i c 的堆积顺序是 a b c a c b a b c a 一而1 5 r 菱形结构的堆积顺序是a b c a c b c a b a c a b c b a 。在s i c 的各种密堆积结构中，所有的原子均位于对称轴上，并且所 有对称轴落在( 1 1 5 0 平面上。如图2 1 3 【1 1 所示j 上述几种s i c 结构的堆积顺 序可由( 1 l20 ) 平面上的s i 原子的位置很好的表示出来。 嘲_ 豳 1 2 1 。3 毫u 蓍群一上尊蠢争矗t t 冀c 予一纛甘缸t - h 鑫i o 洳 巾 曩b 争 w 4 w , w i , s l , 螂n l 争m w - l r a w i l l t o ( d ) 毫m i o i s ) i a a m l ： 髓。如誊l 酿渤& 秆t 曩，谯镰l 棚甘ia s 1 4 r o d k l l 目前，在s i c 的2 0 0 多种同质多型体中，最常见的是3 c s i c 、4 h s i c 和 6 h s i c 。2 h s i c 在低于4 0 0 c 的温度下将转化为其他多型体，结构不稳定。其 2 0 0 5 年0 5 月中国科学技术大学硕士论文 余的多型体结构很稳定，最稳定的是6 h s i c 。 2 2s i c 的基本性质 s i c 是r v - i v 族二元化合物半导体，也是元素周期表i v 族元素中唯一一种固 态化台物。按照晶体化学的观点，构成s i c 的s i 原子与c 原子通过定向的强四 面体s 矿键结合在一起，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 1 2 】。s i c 晶体具有很强的离子共价 键，这反映了s i c 是一种结合能量稳定的结构，其原予化能值达到1 2 5 0 k j t o o l 1 l 。 s i c 具有很高的德拜温度，达到1 2 0 0 1 4 3 0 k o j ，由此也决定了s i c 材料对于 各种外界作用的稳定性，在力学、化学等方面具有优越的特性。 2 2 1 光学性质 材料带隙即禁带的大小决定了器件的很多性质。包括光谱响应特性、抗辐射 特性、工作温度以及击穿电压等许多器件的重要特性。s i c 的禁带宽( 如第一章 表1 1 1 所示) ，如4 h s i c 是3 2 e v o l ，6 h s i c 是3 0 e v 【4 1 。所以，s i c 具有良好 的紫外光谱响应特性，对红外辐射不响应，抗辐射特性好，可应用于检测红热背 景下的微弱紫外信号。而且其暗电流很低，工作温度高，故也可用于探测高温环 境中的紫外信号。 s i c 在很宽的光谱范围( 1 9 3 。0 e v ) 【1 】内也有良好的发光特性。不过，s i c 的光学特性与晶体取向及同质多型体的结构有很密切的关系。 2 2 2 电学性质 最常见的三种s i c 多型体3 c s i c 、4 h s i c 和6 h s i c 的基本电学性质在第 一章的表1 1 1 已列出。表中各参数的值与掺杂的种类和浓度、测试温度和方法、 材料质量等因素有关。 s i c 的临界击穿电场比常用半导体s i 和g a a s 都大很多，这说明s i c 材料制 作的器件可承受很大的外加电压，具备很好的耐高压特性。另外，击穿电场和热 导率决定器件的最大功率传输能力。击穿电场对直流偏压转换为射频功率给出一 个基本的界限，而热导率决定了器件获得恒定的直流功率的难易程度。由第一章 2 0 0 5 年0 5 月中国科学技术大学硕士论文 的表1 1 1 可以看出，s i c 具有优于s i 和g a a s 的高温工作特性，因为s i c 的热 导率和击穿电场均高出s i 、g a a s 好几倍，带隙也是g a a s 、s i 的两三倍。 电子迁移率和空穴迁移率表示单位电场下载流子的漂移速度，是器件很重要 的参数，会影响到微波器件跨导、f e t 的输出增益、功率f e t 的导通电阻以及 其他参数。4 h s i c 电子迁移率较大，但各向异性较弱；6 h s i c 电子迁移率较小， 但各向异性强【5 j 。 s i c 物质在扩散渗透时有低的渗透度。载流子寿命短，但是寿命和扩散长度 随温度的升高两增大；声波传播速度高( 7 8 k m s 0 1 ) ，超高频声波的衰减系数低 ( f = - l g h z 时为3 d b c m 1 1 ) 。在s i 0 2 s i c 界面上表丽态密度较低【1 】( 1 0 1 01 0 1 1 c m 。2 ) 。 产生一复合速度也低。 2 2 3 热稳定性 s i c 的热稳定性很好。常压下不可能熔化s i c 【6 j 。高温下s i c 升华并分解为碳 和含硅的碳化硅蒸气1 7 】，残留下来的石墨以原晶体的赝形存在。六方结构s i c 在 2 1 4 9 2 3 1 6 k 温度范围内加热，其产物成分【6 】主要有s i 、s i c 2 和s i 2 c ，其次还有c 、 c 2 、c 3 、s i 2 、s i 3 、s i 2 c 2 、s i 2 c 3 和s i 3 c 。在大于一个标准大气压的高温高压系统 环境中，s i c 在2 8 3 0 ( 4 0 ) 和3 5 a r m 的条件下出现转熔点1 8 1 ，s i c 分解为与 石墨相平衡的富硅液体。 2 2 4 化学性质 s i c 会发生氧化反应【9 】，所以在其表面加一s i 0 2 层以防止氧化。所以，s i c 也能溶解于熔融的氧化剂物质，如熔融的s i 0 2 、n a 2 c 0 3 k n 0 3 混合物。与氯气 或c c l 4 反应时会留下石墨残留物，与氟在3 0 0 。c 的反应没有任何残留物1 0 1 。所 以，可用熔融的氧化剂和氟作为s i c 的表面腐蚀剂。立方结构的s i c 化学性质比 六方结构活泼。 2 2 5 硬度和耐磨性 s i c 硬度很高，介于金刚石和黄玉之间，可以切割红宝石【7 1 。s i c 耐磨性也很 高，介于金刚石和刚玉之间f 1 。 2 0 0 5 年0 5 月中国科学技术大学硕士论文 2 2 6 掺杂物【1 2 l s i c 常见的p 型掺杂物有舢、b 、b e 、g a 、o 、s c 等。其中，a l 是最常用的， 因为a l 具有较浅的受主能级( 约2 0 0 m e v ) 。其他p 型掺杂物如b 有较深的受主 能级( 3 2 0 7 3 5 m e v ) 。 s i c 的n 型掺杂物主要是n 。不过，相对于p 型掺杂物比较稳定的受主能级 而言，n 型掺杂物的施主激活能变化较大，这与掺杂浓度、多型结构、材料质量 和测量技术有关。比如，对于n 型3 c s i c ，霍尔测量确定了氮的激活能为 1 8 m e v , - - 4 8 m e v 。 s i c 的许多杂质能级具有比在s i 中更深的能级，这说明室温下s i c 中会有部 分载流子被冻结。不过，由于存在杂质电离场，s i c 的结型场效应管仍可阻在7 7 k 的低温下运行。 除了上述性质外，s i c 在压敏、压电等方面也具有优良的性能。 2 3s i c 材料的制备 虽然从二十世纪五六十年代起人们就一直在努力探索s i c 材料，但是s i c 材 料的制备存在着诸多困难，所以直到1 9 9 1 年6 h s i c 以及1 9 9 4 年4 h s i c 单晶材 料商品化【1 1 以后，s i c 才得到重大的突破性发展。 2 3 1s i c 单晶生长 制备s i c 材料最古老的方法是a c h e s o n 法【l3 1 。a c h e s o n 法是将焦炭与硅石混 合物以及一定量的含氯化钠等物质的掺入剂，放在槽形熔炉中高温加热获得s i c 结晶的方法。这种方法制得的s i c 是约2 - 3 c m 的鳞状单晶小板或多晶体，不可能 生产出大量高质量的单晶。 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 类均可控制的具有一定尺寸的s i c 单晶1 1 4 j 。不过，l e l y 法虽然实现了s i c 单晶 小片的生长，但是这种方法实现温度过高，难以对晶体生长中所要求的高温和成 核过程进行有效的控制，晶体的生长效率低，晶体结构类型和物理电参数分散， 结晶小片的尺寸较小( 平均为3 - 5 m m ) 。所以，l e l y 法制各s i c 晶体成本高，而 且难以生产出制作半导体器件所需的高质量和多数量的s i c 晶体。 1 0 2 0 0 5 年0 5 月中国科学技术大学硕士论文 现在多数s i c 单晶是在以l e l y 法为基础的改良方法上获得的。1 9 7 8 年，前 苏联科学家t a i r o v 和t s v e t k o v 等人”q 6 3 对l e l y 法进行了改进，实现了籽晶升华 生长。籽晶升华技术又称为物理气相输运法( p h y s i c a lv a p o u rt r a n s p o r t ) 该方法 是：首先加热多晶s i c ，使之在低压和高温( 约1 8 0 0 c ) 下升华，产生气相混合 物( s i ，s i 2 c ，s i c 2 ) 在温度驱动下从高温区到达有籽晶的低温区，由于温度降 低而过饱和，在籽晶上结晶。该方法与l e l y 法的区别在于增加了籽晶，从而避 免了多晶成核，更容易对单晶生长过程进行控制。 目前，基于籽晶升华的p v t 法是被研究最多和最成功的s i c 单晶生长方法。 s i c 商业晶片的主要供应商c r e e 公司采用这种方法，已生产出高质量、直径几 个英寸大的s i c 晶片，不过价格昂贵【1 7 】。到目前为止，制备高质量、大尺寸、 低成本的s i c 晶片的方法和技术仍没有研究出来，这成为了s i c 走向大规模实际 生产应用的一个巨大的隘口。 2 3 2s i c 单晶缺陷 s i c 的晶体结构比s i 、o e 复杂得多，晶体中的缺陷也比s i 、g e 情况复杂， 这是因为s i c 结构存在着多型现象。而且目前s i c 晶体的生长技术还没有成熟， 这也是造成s i c 晶体缺陷较多较复杂的原因之一。s i c 单晶缺陷主要有孪晶、位 错、蜷线、微管缺陷等。 s i c 孪晶结构是指沿着平行于六边形基本面的一个边的方向与基本面相交， 并形成确定的角度。孪晶可以发生在完全相同或不同结构的晶体之间，比如 t h i b a u l t 1 8 1 证实在立方s i c 晶体中发现具有7 0 。3 3 角度的两个a s i c 薄晶层， 即a s i c 孪晶结构。 s i c 在生长过程中的增殖会产生位错，高温下的范性形变也会引起位错，晶 体在粗糙的晶棱处成核生长，也很容易增殖产生位错1 1 9 1 。不同的位错会形成不 同的位错形貌，比如滑移位错在与表面相交处会出现贝腐蚀垅，螺型位错会产生 蜷线、六角形腐蚀坑等。 微管缺陷在目前的s i c 晶片上都有不同程度的存在，它对s i c 功率器件的面 积和工作电流等参数有严重的限制作用。有人认为微管缺陷是各种s i c 器件尤其 高温、大功率器件商业化的主要阻碍因素2 0 1 。关于微管的形成机理主要有两种 2 0 0 5 年0 5 月中国科学技术大学硕士论文 看法。第一种 2 1 1 认为微管是在生长中从籽晶沿c 轴延伸的螺型位错的中心。第二 种2 2 1 认为是生长过程中杂质粒子中介引起的。不过，对微管形成的微观机理仍 需要进行更深入的研究。 2 3 3 s i c 薄膜生长 外延生长s i c 薄膜的方法很多，包括化学气相淀积( c v d ) 、电子回旋共振 等离子化学气相淀积( e c r - m p c v d ) 、液相外延生长( l p e ) 、气相外延生长 ( v p e ) 、分子束外延生长( m b e ) 等方法。其中，c v d 生长方法采用的较多， 其优点是生长温度低、生产批量大、薄膜均匀性好、易控制等。 在s i 衬底上用c v d 法异质生长s i c 薄膜，通常用高纯s i h 4 、c 2 h 2 及h 2 作 为s i 和c 的气体源和输运气体。在s i ( 0 0 1 ) 或( 1 1 1 ) 单晶衬底上淀积薄膜。 基底通常选用涂有s i c 层的石墨。为了提高外延薄膜质量，一方面口3 1 是使经过 研磨、机械和化学抛光的n 型或p 型s i 衬底偏离轴向一定角度，即使晶片偏离 ( 0 0 1 ) 面或( 1 1 1 ) 面一定角度( 一般小于2 。) ；另一方面是可采取两步法 生长，首先由h 2 携带c i - 1 4 、c 2 1 4 2 或c 3 u s 进入淀积室，在大约1 4 0 0 c 与s i 反应 生成一层由s i 向s i c 过渡的缓冲层，然后再引入s i h 4 参加反应生成s i c 单晶薄 膜。 在各种生长s i c 薄膜的方法里，为了支撑外延层均采用了许多不同的衬底， 包括s i 【2 抛6 1 、t i c 【2 m 8 1 、6 h s i c l 2 9 - 3 0 1 以及a i n - a 1 2 0 3 3 1 q 2 】等，有异质外延也有同 质外延。这些衬底各有其优缺点。s i 成本低，结晶性质很好，有利于制作大面积 衬底；但s i 与s i c 之间有较大的晶格失配( 也0 ) 和热膨胀系数失配( 8 ) ， 使得生成的s i c 外延薄膜存在大量失配应力引起的缺陷，而且s i c 器件工艺中典 型的离解温度已接近s i 的熔点。t i c 与s i c 晶格失配小，导电性能好，但是t i c 单晶不易获得。6 h s i c 作为衬底是同质外延，具有最小的晶格失配，可制成性 能最好的器件，但是它的成本很高，而且不易做成高阻材料。蓝宝石是一种绝缘 衬底，有高的熔点，可以制造大的衬底，不过需要一层缓冲层来改善s i c 与蓝宝 石之间的粘附性。 另外，衬底材料的选择也对s i c 的多型有很重要的影响。通常在s i 和t i c 衬底上可毗生长出3 c s i c ，而6 h s i c 通常在蓝宝石衬底上长出。在6 h s i c 衬 1 2 2 0 0 5 年0 5 月中国科学技术大学硕士论文 底上则能够生长出3 c s i c 或6 h - s i c 薄膜，这取决于衬底与基准面的偏离和生长 薄膜之前对衬底的处理【3 l 】。 为了进一步降低成本和减少因高温生长而带来的薄膜表面粗糙、薄膜与衬底 之间晶格失配和热膨胀系数失配引起的缺陷等问题，人们还在不断地探索生长 s i c 的方法。 2 3 4s i c 薄膜缺陷 s i c 薄膜缺陷的产生与很多因素有关，包括衬底与薄膜间的晶格失配和热膨 胀系数失配、衬底的结晶质量和表面状况、以及薄膜生长技术等。s i c 薄膜缺陷 主要有失配位错、堆垛层错、反相边界1 3 3 1 等各种结构缺陷。这些缺陷会导致载 流子重新分配和迁移率降低，也会导致杂质从薄膜快速扩散到衬底，严重影响 s i c 器件的性能。 2 4s i c 器件研究现状和应用 由于s i c 材料制备技术和s i c 器件工艺还远未成熟，所以s i c 器件的研究和 应用都受到了巨大限制。不过，因为s i 材料本身无法克服的局限性( 带隙窄及 由此引起的诸如工作温度不高等问题) 和s i c 材料本身具备的优异性能，人们一 直在努力地研究各种s i c 器件，以便在高温、高压、强辐射等极端环境中代替愈 来愈难以满足要求的s i 器件。 下面对s i c 器件的介绍并没有进行严格的分类，主要是将较重要的s i c 器件 结构和近几年来较受重视的研究较多的s i c 器件的应用方向作一介绍。 2 4 1肖特基势垒二极瞥( s b d ) 肖特基势垒二极管是多子器件，具有快的开关速度、负的温度系数以及不呈 现明显反向恢复电流的优点，在高频、微波电路等许多领域都有重要应用【3 ”。 传统的s i 和g a a s 肖特基势垒二极管在小于3 0 0 v t 2 3 1 的低压区已得到广泛应用， 但在高压区性能不理想、功耗较大。利用s i c 材科的高击穿电场，s i c 肖特基势 垒二极管外延层可以很薄，掺杂浓度大，这样器件的导通电阻很小，功耗低。2 0 0 1 年报道了【3 5 】美国普度大学研制出s i cs b d ，其阻断电压高达4 9 k v ，特征导通电 2 0 0 5 年0 5 月中国科学技术大学硕士论文 阻为4 1 3 1 0 _ 2 q c m 2 。通常限制肖特基二极管阻断电压的主要因素是金属一半导 体肖特基接触边沿处的电场集中，所以提高肖特基二极管阻断电压的主要方法就 是采用不同的边沿阻断结构以减弱边沿处的电场集中最常采用的边沿阻断结构 有3 种：深槽阻断、介质阻断和p n 结阻断普渡大学采用的方法是硼注入p n 结阻 断结构所选用的肖特基接触金属有n i ，t i 。 目前人们对s i c 的肖特基整流理论仍然不是很清楚，大多沿用传统的金属半 导体接触整流理论：扩散理论、热电子发射理论以及场发射、热电子场发射口”7 j 等。不过，不管是采用哪一种理论，总有理论与实验结果不太一致的地方。所以， 有的学者【3 7 1 就提出了将各种理论模型结合起来考虑的观点，并提出了自己的 模型。 2 4 2 紫外光电器件 对s i c 紫外光电器件的研究包括紫外探测器、紫外成像摄像、紫外传感器、 紫外发光以及紫外通讯等方耐3 9 】。其中，紫外探测器是目前研究较多的。s i c 紫外探测器可采用肖特基二极管的结构制备，只需把金属层做成非常薄的半透明 层，并在金属层上面涂层防反射的透明薄膜。当然，异质结等其他结构也可做 成s i c 紫外探测器。 2 0 0 2 年6 月美国波士顿电子公司报道了d 9 】一些他们制作的s i c 紫外探测器， 这些探测器性能优越，如表2 4 1 所示。 表2 4 1美国波士顿电子公司制作的s i c 紫外探测器性能参数 s p e c t r a l p e a kd a r k o u t p u tc a p as p e e d m o d e l a r e a ( m m 2 )r a n g e s i g n a l c u r r e n ti nb r i g h tc i t a n ( m h z ( 1 0 p t s ，( a w 一1 v s u m i g h t c e r i m ) r i m )b i a s ( f a )( i 徂)0 0一3 d b ) j e c o 1 s0 _ 2 5 o 2 52 1 0 t 0 3 8 0 0 1 3 2 7 5 0 25 02 01 0 0 j e c o 3 s0 5 o 52 1 0 t 0 3 8 0o 1 3 , 2 7 5 o 43 0 06 05 0 j e c l s1 l2 1 0 t 0 3 8 0 o 1 6 2 7 5 l1 0 0 01 9 52 0 j e c 42 22 l o t 0 3 8 0 o 1 6 , 2 7 5 55 0 0 07 0 01 0 2 4 3 三色发光器件 三色发光器件是在多层多型结构( 4 h s i c 、2 1 r s i c ) 的基底上形成具有宽 1 4 2 0 0 5 年晒月 中国科学技术大学硕士论文 波段的多色光辐射结构，在较窄带隙同质多型体( 2 1 r ) 的表面部分掺硼，再在 较窄带隙的和宽带隙的同质多型体内同时离子注入a l ，形成可以产生三色光的 注入式光源场致发光结构。它的辐射光谱包括红色、绿色和浅蓝色成分。 2 4 4 传感器 s i c 传感器主要有温度传感器和压力传感器等。以肖特基势垒和p n 结为基础 的结构是s i c 最有前途的宽区间高温温度传感器结构形式。这种结构的直流电压 降与温度具有线性关系，并且在2 0 - - 4 0 06 c 范围内灵敏度不低于1 2 m v k 1 4 0 ，它 们的工作温度明显高于用其它材料制成的温度传感器。