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非故意掺杂4H-SiC本征缺陷及退火特性研究

程萍  
【摘要】: 高质量的半绝缘SiC材料在集成电路以及射频功率MESFET和功率PIN器件等方面的应用具有十分重要的地位,它既可用作器件的衬底,又可作为器件间的隔离,同时还可以作为GaN材料的衬底材料。由于具有高的电阻率,半绝缘材料表征存在一定的难度。因此,高质量SiC材料中本征缺陷的特性成为研究半绝缘SiC材料的一个热点问题。目前,商用高质量半绝缘4H-和6H-SiC材料多是采用物理气相运输法和高温化学气相沉积法制备,虽然实验研究了这些材料中本征缺陷的种类、结构及退火特性,但研究结果却存在较大的差异。 国内高质量4H-SiC同质外延单晶薄膜的研究已经取得了较大进展,非故意掺杂4H-SiC同质外延材料中杂质浓度已经可以大幅度降低,而对于材料中的本征缺陷却没有一套系统完整的测试方法;同时对于这些深能级本征缺陷,由于不同样品中差异较大,因此对于本征缺陷深能级的起源还没有定论,国际上的争议也比较大。在此背景下,本文首先对理想4H-SiC晶体中常见本征缺陷的电子结构及形成能和室温平衡浓度进行了计算;同时对我们自行制备的非故意掺杂4H-SiC外延材料的本征缺陷进行了广泛深入的研究。主要的研究结果如下: 1.采用CASTEP模拟软件,计算了理想化学配比4H-SiC的电子结构,并在此基础上计算了本征缺陷碳空位(VC)、硅空位(VSi)、空位对(VC-VSi)、碳空位反碳空位对(VC-C)和硅空位反硅空位对(VSi-Si)对4H-SiC电子结构的影响。结果表明:4H-SiC是一种间接带隙半导体材料,导带底和价带顶分别位于布里渊区的M和G点处,计算4H-SiC晶体的禁带宽度约为2.36eV,比实验值低,这主要是由于计算过程中采用的广义梯度近似引起的;VC缺陷在禁带中形成了分别位于Ec-~0.6eV和Ev+~1.0eV的缺陷能级;VSi在禁带中引入位于Ev+~0.5eV的缺陷能级;VC-VSi、VC-C以及VSi-Si缺陷在禁带中形成的缺陷能级分别位于Ec-1.2eV、Ec-1.6eV和Ec-1.1eV处。同时,理论计算结果认为几种本征缺陷的形成能由小到大的变化顺序为VSi→VC-C→VSi-Si→VC→VC-VSi。计算结果表明高质量4H-SiC材料中浓度较大的本征缺陷为VC-VSi、VC-C和VC,这与实验结果吻合较好。 2.研究了非故意掺杂4H-SiC材料本征缺陷的低温电子顺磁共振特性:暗场条件下,材料的电子顺磁共振谱具有明显的各向异性,较高的测试温度、晶体的晶格结构和缺陷浓度的不均匀分布是造成谱线半高宽较大及峰谷不对称现象的主要原因。通过电子顺磁共振理论计算可知,样品中本征缺陷是由碳空位及其络合物的混合物所组成,这与理论计算结果一致。 当氙光激励时,样品本征缺陷的电子顺磁共振特性发生了变化,光触发后样品的电子顺磁共振主峰上出现了两个侧峰,对侧峰的g矢量进行计算发现,这两个侧峰具有本征缺陷中硅空位(VSi)和碳空位—反碳空位对(VCCSi)的特征。光激励作用下,电子顺磁共振谱的主峰未发生偏移现象,其峰值和线宽稍有变化,经分析认为光激励作用使样品中的本征缺陷浓度及分布发生了变化,而本征缺陷种类与原始样品的基本一致。随着光激励时间的延长,电子顺磁共振主峰上的两个侧峰消失,且电子顺磁共振强度也随之发生周期性变化,但变化幅度越来越小;当光激励时间为2.5min时,电子顺磁共振强度达到最大,这主要是由于光激励作用使本征缺陷发生了强烈的相互作用和转化过程。 3.分析了本征缺陷的低温光致发光特性:10K时,非故意掺杂4H-SiC外延材料中本征缺陷光致发光谱是峰值为570nm的“黄绿色”发光带,该发光带的能级位于导带下0.8eV-1.3eV之间,且该“黄绿色”发光带分布接近高斯分布。“黄绿色”发光带形成的主要原因是样品中存在着大量的碳空位VC及其扩展缺陷,是二者共同发生辐射复合作用的结果,该结果与电子顺磁共振测试结果一致。 4.研究了退火处理对样品中本征缺陷的影响:退火处理可有效降低样品的电子顺磁共振和光致发光强度,但本征缺陷类型与原始样品基本一致。当退火时间少于30min时,随着退火温度的升高电子顺磁共振和光致发光强度均符合先增加后减小的规律,1573K时样品中本征缺陷的电子顺磁共振和光致发光强度达到最大,该结果说明退火过程中,本征缺陷之间发生了强烈的相互作用和转化过程;当退火时间为60min时,样品的电子顺磁共振和光致发光结果与上述变化趋势完全不同,这主要是由于退火时间为60min时,除了本征缺陷之间的相互转化和络合作用外,退火处理过程中Si原子逸出,使C/Si比增大从而引入大量硅空位(VSi)型本征缺陷的影响不可忽略。退火温度及退火时间的选择可以显著影响材料中本征缺陷的浓度。 建立了退火处理过程中本征缺陷的发光模型。在退火处理过程中,由于本征缺陷之间的相互作用、亚稳定型本征缺陷向稳定型本征缺陷的转化以及退火造成的Si原子逸出等因素的影响,样品的光致发光发光波长出现了发光峰“黄移”现象。产生“黄移”现象的主要因素有两个:首先是退火处理使样品中的本征缺陷发生相互作用过程,形成不同尺寸的微观缺陷,这些缺陷属于深能级缺陷,辐射复合发光靠近黄光段;其次是退火过程中引入的大量硅空位型本征缺陷,产生的与硅空位有关的络合物也是黄色光的主要发光源。


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