4H-SiC同质外延生长及器件研究

【摘要】SiC材料作为一种第三代半导体材料,因其具有禁带宽度大(3.2ev),耐击穿电场强(2.2×106V/cm),饱和电子迁移速度高(2.0×107cm/s),热导率高(4.9W/cmK)和化学稳定性好等优异的物理化学及电学性能,被认为是制作高功率、高频率电子器件的理想材料,可广泛用于高温强辐射等极限条件,在国民经济以及国防科技等领域有着十分广阔的应用前景。高质量的外延层是SiC器件广泛应用的基础,国内对于4H-SiC同质外延的研究起步较晚,对相关外延工艺以及器件制作并没有深入细致的系统研究,使得国内的整体水平与国际先进水平还存在很大差距。在此背景下,本文对4H-SiC同质外延薄膜进行了系统研究,获得了稳定的外延生长工艺,并使用所得外延晶片进行器件制备,所取得的研究成果如下：1.以EPIGRESS公司的VP508GFR设备、用CVD法进行4H-SiC同质外延生长。通过分析设备生长源耗尽方式,确定了外延过程中影响外延掺杂浓度及厚度均匀性的主氢流量和碳硅比等工艺参数,并从4H-SiC外延生长过程中所涉及的物化反应入手,确定了基本的工艺路线为使用H2作为稀释气体及载气,SiH4和C3H8作为生长源,氮气和TMAl分别作为N型和P型掺杂源,生长温度在1550℃-1600℃之间,生长压力在100mbar.2.本工作中,8°偏角衬底较4°偏角容易获得高质量的表面形貌,表明“台阶控制外延技术”在碳化硅外延中的重要作用；在恒定C/Si=1.5时,改变生长源流量,发现碳化硅外延生长速率随着硅烷流量的增加而增加,最高超过12μm/h,但是N型掺杂浓度不断降低。对比不同硅烷流量下的生长速率和掺杂浓度,发现了硅团簇的形成窗口：当SiHH4流量在10sccm-20sccm时硅团簇开始大量产生,且随着载气离开反应室,使得反应室内有效C/Si比增加,不利于N掺杂,同时生长速率降低。形成硅团簇的气相成核速率与硅烷的加入量成正比,当硅烷量很少时,硅团簇成核速率低,无法达到硅团簇的平衡值,随着硅烷流量加大,当达到30sccm时,硅团簇气相成核达到平衡点。3.借鉴传统的8°偏角衬底外延结果对3英寸4°偏角4H-SiC外延的在线刻蚀和生长温度等工艺进行优化,对外延过程中引入的缺陷所进行的详细分析表明所得4°偏角外延片表面质量高,消除了台阶聚束(stepbunching)现象和三角形缺陷,200μm×20μm表面粗糙度仅为0.223nm,这与4H-SiC沿C轴方向原子层厚度接近。4.高分辨率X射线衍射、Raman散射确定所生长的4H-SiC外延层为均一的4H-SiC物相,不存在其他包裹物,XRD的摇摆谱半高宽为52arcsec,这表明外延层的结晶质量很高；傅里叶红外光谱仪(FTIR)测量外延层膜厚,片内厚度不均匀性达到0.09%,批次间厚度不均匀性为0.9%；汞探针CV(MCV)测量掺杂浓度分布,获得片内浓度不均匀性最好为4.37%,批次间浓度不均匀性为5.3%,二次离子质谱法(SIMS)对MCV测量的n型掺杂浓度进行了验证。方阻仪显示MESFET结构的4H-SiC材料方阻不均匀性为2%～5%达到国际同行产品水平。5.应用所生长的4H-SiC同质外延技术分别进行MESFET、SBD器件结构材料的生长制备。控制MESFET器件结构材料参数分别为P型缓冲层厚度为0.2μm,掺杂浓度为2×1015cm-3；n型有源层厚0.4μm,掺杂浓度为2x1017cm-3；欧姆接触n+层的厚度为0.2μm,浓度为2x1019cm-3。所得到的1mm总栅宽MESFET器件的主要性能参数为：当Vds=64V,得到的最大输出功率(Pout)为4.1W,此时增益(Gain)为9.30dB,功率附加效率(PAE)达到31.3%,漏极效率(η)为35.5%,并进一步制备了单胞总栅宽为3.6mm、9mm、20mm的芯片在S波段2GHz频率脉冲测试条件下输出功率分别为18.3W、38W、80W,功率密度都超过了4W/mm,同时功率增益都超过了8.5dB,器件的性能指标为国内领先、国际先进水平。控制SBD器件结构参数分别为n+bufferlayer厚度为0.5μm,掺杂浓度为1×1018cm-3；有源层厚度12μm,掺杂浓度为5×1015cm-3。所制备的尺寸为1.5mm×1.5mm的SBD器件显示了优异的正、反向特性,正向开启电压为1.1V,当正向电压3.5V时,输出电流达到7.47A,电流密度达到330A/cm2,达到了国际先进水平SBD器件。
【作者】李哲洋；
【导师】韩平；
【作者基本信息】南京大学，微电子学与固体电子学，2012，博士
【关键词】同质外延；MESFET；外延层；功率附加效率；外延材料；反应室；长源；不均匀性；毕业论文；二次离子质谱法；

【参考文献】
[1]蔡志宇.客车液力缓速器制动性能及恒速仿真[D].太原科技大学,车辆工程,2013,硕士.
[2]刘连峰.猝发式直扩信号数字化接收机解扩技术研究[D].杭州电子科技大学,电子与通信工程,2011,硕士.
[3]于纯纯.基于芘的有机染料的设计合成及其敏化太阳能电池的性能研究[D].安徽大学,分析化学,2013,硕士.
[4]吕杨.西方媒介社会责任观念及其流变探析[D].南京大学,新闻学,2013,硕士.
[5]邱玉霞.进化计算与粗糙集理论研究及其在图像处理中的应用[D].太原理工大学,2007.
[6]丁艳梅.利用储能集水箱减震的小高层结构动力响应分析[D].兰州理工大学,结构工程,2013,硕士.
[7]赵鑫.基于低频大功率无线能量传输机理的研究[D].哈尔滨工业大学,仪器科学与技术,2013,硕士.
[8]杨雄文.民事诉讼中的科学证据[D].湘潭大学,诉讼法,2003,硕士.
[9]贺宁.全球宽带接入市场发展分析[J].世界电信.2004(02)
[10]许迪.商业银行效率的DEA评价研究[D].贵州财经大学,金融,2013,硕士.
[11]侯明,陈大纲.AOA炼钢过程控制系统的研发与应用[J].冶金自动化,2011,05:36-42.
[12]刘秋波.石墨烯基催化剂的制备及其电化学性能研究[D].北京化工大学,2013.
[13]张武波.常规/远场复合式涡流检测方法与检测可靠性分析技术研究[D].浙江大学,控制科学与工程,2014,硕士.
[14]肖英肖.外来务工人员子女英语学习现状的调查研究[D].河北师范大学,学科教学,2012,硕士.
[15]姚伟国.中铁宝桥集团薪酬体系改革研究与探索[D].西南交通大学,工商管理（专业学位）,2013,硕士.
[16]徐子鹰.从联盟约束角度看美日同盟的走向[D].外交学院,国际关系,2014,硕士.
[17]柳红东,黄佳木,李新禄,刘佳,张育新.锂离子电池SnO_2/石墨烯复合负极材料的制备及其电化学性能[A].中国仪器仪表学会仪表功能材料学会、重庆市科学技术协会、重庆市科学技术研究院、重庆大学、重庆材料研究院（重庆仪表材料研究所）、中国人民解放军后勤工程学院、重庆功能材料期刊社、国家仪表功能材料工程技术研究中心.2011中国功能材料科技与产业高层论坛论文集（第二卷）[C].中国仪器仪表学会仪表功能材料学会、重庆市科学技术协会、重庆市科学技术研究院、重庆大学、重庆材料研究院（重庆仪表材料研究所）、中国人民解放军后勤工程学院、重庆功能材料期刊社、国家仪表功能材料工程技术研究中心:,2011:3.
[18]李媛.卵巢肿瘤survivin表达及其与肿瘤血管生成的关系[D].重庆医科大学,妇产科学,2004,硕士.
[19]蔡杨.混合式步进电机在角位移测量中的应用研究[D].浙江工业大学,机械电子工程,2004,硕士.
[20]叶晨洲,李国正,姚莉秀,陈念贻,陆文聪.支持向量机算法用于C_(60)溶解度的热力学分析[J].计算机与应用化学,2002,06:729-730.
[21]王绪.区域经济增长与通货膨胀相关关系的系统分析及其实证[D].西北民族大学,应用数学,2012,硕士.
[22]王博.机器翻译系统的自动评价及诊断方法研究[D].哈尔滨工业大学,2010.
[23]魏长江.声波测井的探测深度及侵蚀作用对声波时差测量的影响[J].石油地球物理勘探,1990,05:529-537+646.
[24]周魁一,谭徐明.防洪思想的历史研究与借鉴[J].中国水利.2000(09)
[25]李晓静.“教学合一学案式”教学法在高中历史教学中的运用[D].内蒙古师范大学,学科教学（专业学位）,2012,硕士.
[26]王婷.教师因素对高师生学习观影响的研究[D].曲阜师范大学,课程与教学论,2013,硕士.
[27]李梦璐.美国“政治极化”研究[D].福建师范大学,政治学理论,2013,硕士.
[28]王雪芹.基于平沟煤矿16~#煤层的瓦斯地质预测及抽放技术研究[D].内蒙古科技大学,采矿工程,2013,硕士.
[29]闻瑜,陈毅鹏,单国栋,季峰.食管胃连接部黏膜下肿瘤内镜下切除的临床分析[J].肿瘤,2014,04:344-348.
[30]冯婷,冯根生,杨彬.氧化石墨烯/Fe_2O_3纳米管复合材料的制备及表征研究[J].化工新型材料,2015,03:202-203+238.
[31]吴珊.创业型并购中整合型领导对员工目标承诺的影响机制研究[D].浙江大学,创业管理,2013,硕士.
[32]杜庆余.基于DSP的红外多元探测器信息处理技术[D].西北工业大学,导航、制导与控制,2004,硕士.
[33]周进.现代城市经营理念与实证研究[D].西南交通大学,2004.
[34]万阳.构式语法视角下的英语轻动词构式研究[D].西南大学,英语语言文学,2014,硕士.
[35]季童晶.有限责任公司受压制股东权利救济研究[D].扬州大学,民商法学,2011,硕士.
[36]崔荣.当代中国司法公信力问题研究[D].吉林大学,法律,2013,硕士.
[37]樊凡.《大众日报》2010-2012年“三农”报道内容分析[D].华东师范大学,新闻学,2013,硕士.
[38]李光倜.Li~+示踪模拟研究回灌渗滤液溶质运移规律[D].西南交通大学,环境工程,2013,硕士.
[39]陈丽梅.二级甲等医院合同制护士工作压力、职业倦怠与离职倾向的相关性研究[D].大连医科大学,护理学,2012,硕士.
[40]谢双.俄勒冈职业兴趣量表（ORVIS）的初步修订[D].扬州大学,应用心理学,2011,硕士.
[41]陶慧.基于CreditRisk+模型对菏泽市农村信用社贷款风险控制研究[D].新疆大学,工商管理（专业学位）,2013,硕士.
[42]于洪.学分制背景下北京普通高校体育课程设置的研究[D].北京体育大学,体育教育训练学,2013,硕士.
[43]李文文.中重度痤疮的综合治疗[D].吉林大学,临床医学,2014,硕士.
[44]黄毅.硝化细菌对淡水水族箱水质和异养细菌类群变化的影响[D].上海海洋大学,水产养殖,2013,硕士.
[45]徐忠磊.成吉思汗草原生态园游人行为与园林环境研究[D].内蒙古农业大学,园林植物与观赏园艺,2013,硕士.
[46]吴洋.人的异化及其克服—马克思的异化理论研究[D].大连理工大学,思想政治教育,2013,硕士.
[47]王鹏军.端粒缩短与P53激活在大鼠耳蜗老化中作用的研究[D].华中科技大学,耳鼻咽喉科学,2013,硕士.
[48]董朝.基于可编程图形硬件加速的若干技术研究[D].浙江大学,2005.
[49]林湘宁,徐雨舟,刘沛.相电流比例差动判据与线电流比例差动判据的比较[J].电力系统自动化,2005,03:21-25.
[50]彭会鑫.20世纪60年代美国职业团计划的产生与实施[D].东北师范大学,世界史,2012,硕士.