SiC的材料特性_第三代半导体_宽禁带半导体材料

1、第二章碳化硅材料特性半导体的晶体结构和半导体器件的性能有着必然的联系。本章分析了SiC特殊的晶体结构，及与之相关的SiC杂质的不完全离化。碳化硅的晶体结构碳化硅的结构碳化硅作为碳和硅唯一稳定的化合物，也是元素周期表中IV族元素中唯一的 一种固态碳化物，其晶体结构由致密排列的两个亚晶格组成，每个Si(或C)原子周围包围的四个C(或Si)原子通过定向强四面体sp3键结合在一起，并有一定程度 的极化。SiC晶体具有很强的离子共价键，具有很高的德拜温度。这一结构决定了 碳化硅异常突出的化学稳定性和热稳定性，宽禁带和优良的抗辐照等性能。SiC的摩化硬度达到9级，仅次于金刚石；它的热导率达到 5w/cm

2、k,远高于大多数半 导体，室温下几乎高于所有金属，这为制备高温、高功率、高密度 SiC集成电路 提供了良好潜能17。碳化硅多型体SiC晶体结构具有同质多型的特点，即在化学计量成分相同的情况下具有不 同的晶体结构。如立方密堆积的闪锌矿结构；六角密堆积的纤锌矿结构和菱形结 构，分别记做G H、R。用该字母前的数字表示密排方向每一堆垛周期中Si-C层的数目，如3G 4H、6H 15R等。其中3c代表有三层Si-C原子层周期排列成立 方结构，6H表示由6层Si-C为一周期排列的六角结构。一般把六角密堆积的纤维 锌矿结构和菱形结构的多型体统称为a -SiC (如4H 6T 15R-SiC),把立方密堆

3、积的闪锌矿结构的SiC称为B -SiC (3C-SiC)0目前已发现的SiC多型体多达200 种，并且从理论上讲多型体的数目是无限制的。SiC晶体中的不对称点各种类型的SiC中的不对称位置各不相同。我们以6H-SiC为例进行说明，图 2.1为(11 20)平面中Si和C原子的Z字形状，小点描述一个特殊垂直于 C轴平面 上的C原子，而相应的Si原子用大空心点表示18 o h点是一个晶格位置，在该品 格点上C原子或相关的Si原子与相邻平面之间通过准六角键连接。同样地，k1和7k2点代表C和相邻的Si原子与相邻面之间是通过准立方键的品格位置。另外在图 中我们还可以看到，如果用 N原子替代在h, k1

4、, k2点的品格原子，那么在品格的一个周期内，h, k1, k2三点上替换的N原子分别距相邻的类C面晶格和类Si平面品格的距离各不相同，这就决定了在 6H-SiC中六角位h和立方位k1、k2有 不同的电特性。反映在杂质离化上就是当杂质原子处于不同的品格位置上时，杂质原子的离化能不同，即杂质会表现为多个能级-8-1224 20 16 15. 1A 12 8A B C A| O=Si |图2.1 6H-SiC (1120)面原子排列图经分析，SiC多型体晶格中的不对称点数如表2.1所示18表2.1 SiC多型体晶格中的不对称点数3C-SiC15R-SiC6H-SiC4H-SiC2H-SiC1532

5、1§ 2.2本征载流子浓度及其与温度的关系本征载流子浓度q可表示为：1 /2Egn NcNv exp( 3-)(2-1)2 KT*2mnKT 32一Nc=2Mc (2n) 2(2-2)h* .Nv = 2M v /*广(2-3)h其中K为玻尔兹曼常数，T为绝对温度，mn,mp分别为电子和空穴的态密度有效质 量，Nv,Nc为价带顶和导带底有效态密度。Me为导带底的有效状态数，对3c为3, 6H 15R为6而4H为12; Mv是价带顶的有效状态数，对各种类型 SiC都等于 6。在300K至I 800K间，碳化硅的禁带宽度随温度的升高而线性降低。Eg(T) Eg(300)(T 300) E

6、g。 T (2-4)其中系数 对a和B碳化硅分别为3.3 104和5.8 10 418。代入公式(21)得niNaT32ex)(Eg02KT2-5)禁隙越大，本征载流子密度越低。室温时，SiC测量的本征载流子密度很小，如6H的小约为106cm 3。所以，SiC单晶在室温时是绝缘。然而， n随温度的增 加而迅速增加。SiC材料小增加的幅度比Si和GaAs更快。图2.2显示了这一变化。 碳化硅材料的这一特点将直接影响 MO潴件的温度特性。m Ci nT(K)图2.2不同半导体的本征载流子浓度随温度变化的比较碳化硅体材料中杂质的离化率有效载流子浓度的多级离化模型SiC中的掺杂元素有N (n型)和Al

7、、B、Be、Ga (p型)等，因为Al具有 相对比较浅的受主能级，所以 Al是最常用的p型掺杂元素。施主离化能的测定范 围较大，这与测量技术、材料质量、材料的多型结构和掺杂浓度有关。前面提到8当杂质原子处于不同的品格位置上时，杂质原子的离化能不同。对于n型3C-SiC,霍尔测量确定了 N的离化能从18meV到48meV。而又t于6H-SiC,当N作为施主 原子位于六角位时离化能为 84-100meV,而位于立方位时离化能为125-150meV, 在4H-SiC材料中对应于六角位和立方位的 N施主能级分别是50meV和80meV。 对于掺Al的p型SiC,在所有多型结构中发现受主能级均约为 20

8、0meV,如在6H-SiC 中，Al作为受主的离化能分别为220meV （立方位）和180meV （六角位），其它p 型掺杂物如B有较深的受主能级（320 735meV）。许多杂质具有比在 Si中更深 的能级这一事实说明：室温下在 SiC中将会有部分杂质被冻结。在固定的杂质能级上，电离受主浓度 N a可依据费米-狄拉克统计分布得到。NaNAigAexp( EFKTEAi)(2-6)其中：gA为受主简并因子，EAi表示杂质能级，N Ai为每个受主能级上的受主杂质数， NAi Na为受主掺杂浓度(2-7)将体内空穴浓度Pp0Nv exp（EVEF ）pKT代入公式（2-6）得:根据准中性条件Na1

9、 gAPpONvNAi* exp(一KT(2-8)Ppo NaAigA ppO / EAiexp(一Nv KT(2-9)其中：EAi EAi Ev表示杂质能级的电离能2.3.2 P 型6H-SiC的杂质离化率对 p 型 6H-SiCppO N A1N A2N A1N A2gAppONvexpEaiKTgAppoNvexpEA2KT(2-10)由于6H-SiC有三个不对称点，两个立方位，一个六角位EA1 220meV(立方位)，EA2 180meV (六角位)，N A1 2Na/3,Na2 Na/3"，gA 4。令pp0 Na ，即可计算出离化率NA(cm -3)图2.3 6H-SiC受主杂质离化率随杂质浓度的变化曲线率化离0.40.01.0 -0.8 -0.6 -0.2 -02004006008001000T (k)图2.4 6H-SiC受主杂质离化率随温度的变化 曲线图2.3,图2.4显示杂质离化率会随温度升高而增大。掺杂浓度越高，离