[發(fā)明專利]提高碳化硅材料載流子壽命的方法

無效

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• 申請日: 2011-12-22
• 公開（公告）號: CN102560673A
• 公開（公告）日: 2012-07-11
• 發(fā)明（設計）人: 馮淦;李哲洋;趙健輝
• 申請（專利權）人: 瀚天泰成電子科技（廈門）有限公司
• 主分類號: C30B29/36
• 分類號: C30B29/36;C30B33/02
• 代理公司: 北京正理專利代理有限公司 11257
• 代理人: 李娜

技術領域

本發(fā)明涉及半導體材料制造技術領域，尤其涉及一種提高碳化硅（SiC）材料載流子壽命的方法和一種制造載流子壽命提高的碳化硅晶體的方法。

背景技術

SiC是繼第一代元素半導體材料(硅（Si）和鍺（Ge）)、第二代化合物半導體材料（砷化鎵（GaAs）、磷化銦（InP）等）之后發(fā)展起來的第三代寬禁帶半導體材料，具有大的禁帶寬度、高飽和電子漂移速度、高擊穿電場強度、高熱導率、低介電常數和抗輻射能力強等優(yōu)異的物理化學特性和電學特性，是制備高溫、高頻率、大功率、抗輻射器件的理想半導體材料之一。特別是在極端條件和惡劣環(huán)境下，SiC器件的特性遠遠超過了Si器件和GaAs器件。

高質量的SiC晶體（襯底和外延膜）是制備高性能SiC器件的基礎。在過去的幾十年里，SiC晶體的質量有了大幅度的提高，晶片的尺寸也已經增大到6英寸。但作為半導體材料基本性能參數的載流子壽命，目前在SiC晶體中仍然非常低。對于SiC襯底，一般遠低于0.1微秒，而常規(guī)SiC外延膜的載流子壽命通常在1微秒以下，遠低于同為間接帶隙半導體的Si的載流子壽命（可達毫秒量級）。隨著SiC功率器件擊穿電壓的級別越來越高，尤其是雙極型器件，對長載流子壽命的要求越來越強烈。對于雙極型器件，長的載流子壽命可以通過電阻調制效應有效地降低正向導通電阻。因此，如何提高并有效地控制SiC晶體的載流子壽命是目前SiC領域一個重要的研究方向。

半導體載流子壽命就是指非平衡載流子的壽命，而非平衡載流子一般也就是非平衡少數載流子（因為只有少數載流子才能注入到半導體內部、并積累起來，多數載流子即使注入進去后也就通過庫侖作用而很快地消失了），所以非平衡載流子壽命也就是指非平衡少數載流子壽命，即少數載流子壽命。例如，對n型半導體，非平衡載流子壽命也就是指的是非平衡空穴的壽命；而對于p型半導體，非平衡載流子壽命就是指非平衡電子的壽命。不同半導體中影響少數載流子壽命長短的因素，主要是載流子的復合機理（直接復合、間接復合、表面復合、Auger復合等）及其相關的問題。對于SiC這種間接躍遷的半導體，因為導帶底與價帶頂不在布里淵區(qū)（Brillouin）的同一點，故導帶電子與價帶空穴的直接復合比較困難（需要有聲子等的幫助才能實現——因為要滿足載流子復合的動量守恒），則決定少數載流子壽命的主要因素是通過復合中心的間接復合過程。從而，半導體中有害雜質和缺陷所造成的復合中心（種類和數量）對于SiC少數載流子壽命的影響極大。所以，為了提高少數載流子壽命，就應該去除有害的雜質和缺陷；相反，若要減短少數載流子壽命，就可以加入一些能夠產生復合中心的雜質或缺陷（例如人為摻入復合中心）。

簡單地說，制約半導體材料的少數載流子壽命的缺陷主要為各種點缺陷，深能級復合中心。雖然線缺陷，如位錯，和面缺陷，如亞晶界和層錯，也可以成為載流子的復合中心，但只是局部效應。對于半導體宏觀平均參數的載流子壽命而言，主要考慮點缺陷效應。對于SiC等半導體材料中的點缺陷類型和密度，通常采用深能級瞬態(tài)光譜（Deep?Level?Transient?Spectroscopy，DLTS）來確定。Z_1/2和EH_6/7是n型4H-SiC晶體中的兩種主要深能級缺陷，其中Z_1/2被認為是制約n型4H-SiC晶體載流子壽命的最主要因素。雖然目前人們對這兩種深能級缺陷的物理本質還沒有完全清楚，但普遍認為這兩種缺陷都與SiC晶體中的C空位相關。（非專利文獻1，2）

日本京都大學的Kimoto和其他研究人員發(fā)現在CVD（化學氣相沉積）外延生長過程中，外延層中的Z_1/2中心的濃度隨反應氣源中的碳硅原子比（C/Si比，以采用丙烷和硅烷作原料為例，C/Si比為丙烷（C₃H₈）流量乘以3后除以硅烷（SiH₄）的流量）有很大關系。他們發(fā)現在高C/Si比的生長條件下，可以獲得較低的Z_1/2中心（非專利文獻3）。但過高的C/Si比會造成SiC外延膜表面變得粗糙，出現各種外延缺陷，如SiC中常見的三角形缺陷和表面的巨型臺階缺陷等。