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6H-SiC的辐照效应研究

钟志亲  
【摘要】: 本文用低温光致发光谱(PL)和深能级瞬态谱(DLTS)技术对中子和不同能量电子辐照后6H-SiC外延层的辐照诱生缺陷进行了研究,研究了不同辐照能量下辐照诱生缺陷的产生以及它们的退火行为,分析了它们在退火过程中的迁移、解体和重新组合等演变过程。并且还讨论了它们对载流子输运的影响。 SiC作为第三代半导体材料,以其优异的物理特性,在高频、大功率、耐高温、及抗辐照电子器件上具有广泛的应用前景,被寄希望在军事、航空航天等辐射环境下工作,而且能够用于制作光电探测器,这些是传统的半导体材料所不能比拟的。常温下,杂质在SiC材料的扩散系数很低,因此采用离子注入的方式进行掺杂,而且离子注入是唯一可以实现选择性掺杂的工艺,离子注入工艺后,常需要高温热退火激活掺入的杂质,在此工艺中无可避免地会引入一些缺陷,而且有些缺陷的热稳定性相当高;另外,在SiC其它高温热处理工艺中以及SiC高温器件在辐射环境下工作时也有可能产生二次缺陷。可以通过电子束来模拟6H-SiC的γ射线辐照效应,而且电子辐照可以产生一些简单的缺陷,比如单空位、双空位、空位与杂质的复合体等等,通过研究电子辐照产生的缺陷可以发现一些辐照缺陷的产生和分解的机制,这些研究对于制造高性能的抗辐照SiC器件是非常有用的。本文通过对6H-SiC材料外延层中不同电子能量(0.3MeV、0.4MeV、0.5MeV、1.7MeV)的电子辐照和中子辐照后诱生缺陷的研究,主要解决了以下问题: 一、光致发光研究: 1、在过去己报道的研究中,离子注入和电子辐照的PL研究都是在样品经过高温(通常是1000℃以上)后进行的,观测到的只有D_1中心,并且认为它是一次缺陷,但是由于没有对它的产生行为进行深入研究,它可能存在初级缺陷。SiC器件在辐照环境下工作时,辐照诱生的初级缺陷会对器件的电学性质产生影响,可能影响器件的正常工作。因此,本论文重点研究了中子和电子辐照后的“低温”退火特性,研究D_1中心的初级缺陷。 我们在经中子、0.5MeV和1.7MeV电子辐照后未退火的n型6H-SiC样品中观察到3条新的尖锐谱线,分别位于478.6/483.3/486.1nm处,未辐照的样品在相同的波段没有观测到任何信号,说明它们是辐照诱生点缺陷,是初级缺陷。对观测到的谱线进行退火研究,发现它们经350℃退火后变得很微弱,经500℃退火后完全消失。 2、进一步升高温度退火(≥700℃)后出现著名的D_1中心,D_1中心(L_1/L_2/L_3)位于472.4/476.9/482.5nm处。本实验证明了D_1中心是在退火的过程中出现的,为二次缺陷,在700℃-1100℃的退火研究中,随着退火温度的升高,其发光强度增加,并且它能够经受1600℃的高温退火。D_1中心在离子注入后高温退火的SiC样品中都能观测到,作为深能级中心,对所制器件的电学性质产生影响。从D_1中心的初级缺陷到D_1中心的形成过程中,可能存在复杂的过渡态,因此对D_1中心的产生和退火行为的研究存在潜在的工艺价值,有可能设计离子注入工艺的高温退火工艺参数,尽可能减少D_1中心的产生。 3、在已报道的研究中,D_1中心在深能级瞬态谱(DLTS)实验中观察到的深能级E_1/E_2被认为源于相同的缺陷体,本实验通过对D_1中心产生行为的研究,发现D_1中心的产生行为与E_1/E_2的产生行为不同,从实验上说明它们是源于不同的缺陷体。D_1中心为二次缺陷,而E_1/E_2为辐照诱生的初级缺陷。而且D_1中心的初级缺陷和E_1/E_2具有明显不同的退火行为,因此也不是源于相同的缺陷。说明采用光致发光和深能级瞬态谱研究的结果没有一一对应的关系。 二、深能级瞬态谱研究: 1、在我们前期工作,对p型6H-SiC辐照诱生缺陷的深能级瞬态谱研究中,在高能电子辐照后的p型6H-SiC观测到两个深能级H1和H2,但是还没能详细地给出它们的结构信息。本论文用深能级瞬态谱(DLTS)技术对0.3MeV~1.7MeV不同能量电子辐照后的p型6H—SiC诱生缺陷进行了研究,观察到了辐照诱生缺陷的产生。电子辐照的能量为0.3MeV时,深能级信号H1出现;而当电子辐照的能量Ee≥0.4MeV时,深能级信号H2也被检测到。它们具有较低的退火行为,分别在500℃和250℃被退火掉。根据移动SiC晶格中C和Si两种原子所需的能量,移动SiC晶格中碳原子所需辐照的电子能量为230keY,而移动硅原子所需的最低电子能量为400keY,分析它们的退火行为,并且结合电子辐照后p型6H-SiC中的碳空位V_c在电子顺磁共振(EPR)和正电子寿命谱(PAS)等的研究结果,本实验认为H1和H2源于不同结构的碳空位缺陷。 2、对不同能量电子辐照后的p型6H—SiC样品做了350℃-1600℃进一步高温退火,观察到二次缺陷的产生。研究发现对于低能电子辐照(0.4MeV,0.5MeV)样品,500℃退火产生的二次缺陷G在900℃被退火掉,而700℃退火产生的二次缺陷I和K在1400℃被退掉,1400℃退火还能产生新的二次缺陷M,不同于n型6H-SiC辐照诱生缺陷的退火行为;而高能量电子辐照样品(1.7MeV)分别在700℃和900℃退火后观测到两个不同的深能级二次缺陷K和C1的产生。这是第一次深入地对不同能量电子辐照后的p型SiC材料的辐照诱生缺陷进行从低温到高温的退火特性研究,其间观察到二次缺陷和三次缺陷的产生。从实验上说明了p型6H-SiC中二次缺陷的产生具有复杂性。n沟道SiC MOS器件的制造工艺中,需要采用离子注入方式进行选择性掺杂生成源漏,离子注入后,常需要高温退火激活掺入的杂质,但目前对p型SiC中注入N形成pn结的研究还很少,因此对辐照后p型SiC的退火特性研究为CMOS离子注入工艺的设计具有重要的意义。而且在p型SiC材料中,杂质在p型SiC材料引入的能级较深(Al∶E_A=0.21~0.27eV;B∶E_A=0.30~0.35eV),具有相对较低的电激活率。因此对p型SiC材料辐照诱生缺陷深入的退火研究结果为p型材料的离子注入工艺提供了重要的信息。


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