碳化硅雜質(zhì)原子及電離能

  雜質(zhì)碳化硅中的雜質(zhì)原子一般以替換硅或碳原子的替位方式存在。其中，氮、磷等原子一般只替代碳，鋁原子只替代硅，而硼原子則既可替代硅也可替代碳。但是，由于立方結構中的硅位和碳位與六方結構中的硅位和碳位具有不同的次近鄰關系，雜質(zhì)原子置換不同晶體結構中的硅或碳所受到的靜電勢作用顯然不會完全相同。因此同樣是氮原子，當其處在立方結構硅位時的電離能，與處在六方結構硅位時的電離能是不相同的。這就是說，碳化硅的同素異構特征即便不會影響雜質(zhì)原子的替位傾向，也會影響雜質(zhì)原子的能級，即雜質(zhì)的能級位置不但取決于雜質(zhì)及其替換的本位原子，也取決于替換位置的位形背景。這樣，在2H-SiC以外的其他各種α-SiC同素異構體中，由于多種不等價點陣位置的存在，雜質(zhì)通常具有多重能級。譬如，6H-SiC因為有一種六方晶系正四面體位置和兩種立方晶系正四面體位置，同一替位雜質(zhì)有可能在其中產(chǎn)生三條不同的能級。
 
  碳化硅中幾乎所有雜質(zhì)的電離能都超過室溫kT，電離能最低的N施主也有2倍室溫kT之高，通常使用的受主雜質(zhì)的電離能則高達數(shù)百meV。
 
  利用光致發(fā)光技術(PL)、霍爾效應測試技術(HL)和紅外吸收技術(IR)等方法確定的氮、鋁、鎵、硼在幾種常用碳化硅同素異構體中的電離能示于表1。表中，(C)和(H)分別表示雜質(zhì)在立方結構和六方結構中的能級；E_x表示激子的束縛能，其值對3C-、4H-和6H-SiC分別為13.5meV、20meV和78meV。

 
  V族元素N和Ⅲ族元素B與Al是未經(jīng)故意摻雜的碳化硅晶體中常見的自然雜質(zhì)，也是制造碳化硅器件的摻雜工藝首選的摻雜物。器件模擬時一般將氮施主的電離能取為0.1eV，而將鋁受主的電離能取為0.2eV。
 
  如果在制備碳化硅晶體時使用的源、坩堝以及晶體生長裝置的其他部件都用純度足夠高的材料制成，且經(jīng)過非常嚴格的清潔處理，則長出的晶體或外延層一定是n型，使之成為n型的施主雜質(zhì)就是N。因而高純度的碳化硅，無論是哪一種同素異構體，通常都呈現(xiàn)n型導電性。坩堝和晶體生長設備表面的氣體吸附是碳化硅中N的主要來源。即便是在除氣效果很理想的情況下制備的碳化硅晶體，仍會有一定的N施主濃度。在制備碳化硅外延層的時候，生長面是硅面時的外延層中N的含量會比生長面是碳面時低，外延溫度較高時的外延層N含量會比較低溫度下制備的外延層低，生長較快的外延層的N含量要比生長較慢時低。但是，高溫和高生長速率容易導致空位等缺陷的增生，因而N施主的濃度較難低于10¹⁵/cm³降低碳化硅生長過程中的N玷污的最有效辦法是在生長設備中盡量避免使用對氣體的吸附能力強的部件和器皿，譬如用鉭代替石墨做坩堝或襯底托。
 
  由于N施主雜質(zhì)不易從晶體中清除干凈，因而碳化硅的n型摻雜一般不使用其他V族元素。從研究的角度，在生長3C-SiC時摻磷也得到了有效的施主中心，但磷的電離能幾乎是氮的2倍。N在碳化硅晶體中的擴散速度較低，因而不適合于用擴散方法摻雜，宜采用離子注入或在生長過程中采用氣相摻雜。也正因為N在碳化硅晶體中的擴散速度低，碳化硅晶體和外延層的N含量才與生長速率關系較大。
 
  鋁作為碳化硅晶體的自然雜質(zhì)主要來自原材料。用碳化硅磨料作升華源制備的碳化硅晶體一般鋁含量較高。
 
  硼雜質(zhì)主要來自生長設備中的石墨部件。在低氣壓條件下，硼與碳形成非常穩(wěn)定的化合物，極難去除。
 
  氧在碳化硅中起受主作用，其電離能為(180±5)meV。
 
  在對n型3C-SiC外延膜做霍爾效應測試時發(fā)現(xiàn)其施主雜質(zhì)的電離能E是雜質(zhì)濃度的函數(shù)，其函數(shù)關系用如下經(jīng)驗公式表示：  
  6H-SiC中的施主和受主也有電離能隨雜質(zhì)濃度變化的類似現(xiàn)象。
 
  釩(V)是目前所知對SiC應用具有特殊意義的一種雙性深陷阱雜質(zhì)。在6H-SiC中，釩可產(chǎn)生一條深施主和一條深受主，二者分別位于導帶底以下1.13eV和0.7eV處。在6H-SiC中摻釩，利用它對電子和空穴的陷阱作用，可實現(xiàn)雜質(zhì)的高度補償，由此獲得半絕緣碳化硅襯底，滿足碳化硅和氮化鎵微波功率器件與微波單片集成電路(MMIC)研制的需要。不過，釩在碳化硅中的固溶度不高，只有(3~5)×10¹⁷/cm³，濃度稍高一點就會嚴重破壞碳化硅的晶格完整性。因此摻釩制備半絕緣碳化硅，首先要提高碳化硅的純度。由于雜質(zhì)電離能高，常溫下碳化硅一般處于非簡并狀態(tài)，其熱平衡載流子密度同樣由導帶底和價帶頂?shù)牡刃B(tài)密度N_c和N_v與玻爾茲曼分布函數(shù)的乘積決定。



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