6H-SiC的輻照效應(yīng)研究.pdf

1、本文用低溫光致發(fā)光譜(PL)和深能級瞬態(tài)譜(DLTS)技術(shù)對中子和不同能量電子輻照后6H-SiC外延層的輻照誘生缺陷進行了研究，研究了不同輻照能量下輻照誘生缺陷的產(chǎn)生以及它們的退火行為，分析了它們在退火過程中的遷移、解體和重新組合等演變過程。并且還討論了它們對載流子輸運的影響。 SiC作為第三代半導(dǎo)體材料，以其優(yōu)異的物理特性，在高頻、大功率、耐高溫、及抗輻照電子器件上具有廣泛的應(yīng)用前景，被寄希望在軍事、航空航天等輻射環(huán)境下工作，

2、而且能夠用于制作光電探測器，這些是傳統(tǒng)的半導(dǎo)體材料所不能比擬的。常溫下，雜質(zhì)在SiC材料的擴散系數(shù)很低，因此采用離子注入的方式進行摻雜,而且離子注入是唯一可以實現(xiàn)選擇性摻雜的工藝，離子注入工藝后，常需要高溫?zé)嵬嘶鸺せ顡饺氲碾s質(zhì)，在此工藝中無可避免地會引入一些缺陷，而且有些缺陷的熱穩(wěn)定性相當(dāng)高；另外，在SiC其它高溫?zé)崽幚砉に囍幸约癝iC高溫器件在輻射環(huán)境下工作時也有可能產(chǎn)生二次缺陷。可以通過電子束來模擬6H—SiC的T射線輻照效應(yīng)，而且

3、電子輻照可以產(chǎn)生一些簡單的缺陷，比如單空位、雙空位、空位與雜質(zhì)的復(fù)合體等等，通過研究電子輻照產(chǎn)生的缺陷可以發(fā)現(xiàn)一些輻照缺陷的產(chǎn)生和分解的機制，這些研究對于制造高性能的抗輻照SiC器件是非常有用的。本文通過對6H-SiC材料外延層中不同電子能量(0.3MeV、0.4MeV、0.5MeV、1.7MeV)的電子輻照和中子輻照后誘生缺陷的研究，主要解決了以下問題： 一、光致發(fā)光研究： 1、在過去已報道的研究中，離子注入和電子輻照

4、的PL研究都是在樣品經(jīng)過高溫(通常是1000℃以上)后進行的，觀測到的只有D<,1>中心，并且認為它是一次缺陷，但是由于沒有對它的產(chǎn)生行為進行深入研究，它可能存在初級缺陷。Sic器件在輻照環(huán)境下工作時，輻照誘生的初級缺陷會對器件的電學(xué)性質(zhì)產(chǎn)生影響，可能影響器件的正常工作。因此，本論文重點研究了中子和電子輻照后的"低溫"退火特性，研究D<,1>中心的初級缺陷。我們在經(jīng)中子、0.5MeV和1.7MeV電子輻照后未退火的n型6H-SiC樣品中

5、觀察到3條新的尖銳譜線，分別位于478.6/483.3/486.1nm處，未輻照的樣品在相同的波段沒有觀測到任何信號，說明它們是輻照誘生點缺陷，是初級缺陷。對觀測到的譜線進行退火研究，發(fā)現(xiàn)它們經(jīng)350℃退火后變得很微弱，經(jīng)500℃退火后完全消失。 2、進一步升高溫度退火(≥700℃)后出現(xiàn)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處。本實驗證明了D<,1>

6、中心是在退火的過程中出現(xiàn)的，為二次缺陷，在700℃-1100℃的退火研究中，隨著退火溫度的升高，其發(fā)光強度增加，并且它能夠經(jīng)受1600℃的高溫退火。D<,1>中心在離子注入后高溫退火的SiC樣品中都能觀測到，作為深能級中心，對所制器件的電學(xué)性質(zhì)產(chǎn)生影響。從D<,1>中心的初級缺陷到D<,1>中心的形成過程中，可能存在復(fù)雜的過渡態(tài)，因此對D<,1>中心的產(chǎn)生和退火行為的研究存在潛在的工藝價值，有可能設(shè)計離子注入工藝的高溫退火工藝參數(shù)，盡可

7、能減少D<,1>中心的產(chǎn)生。 3、在已報道的研究中，D<,1>中心在深能級瞬態(tài)譜(DLTS)實驗中觀察到的深能級E<,1>/E<,2>被認為源于相同的缺陷體，本實驗通過對D<,1>中心產(chǎn)生行為的研究，發(fā)現(xiàn)D<,1>中心的產(chǎn)生行為與E<,1>/E<,2>的產(chǎn)生行為不同，從實驗上說明它們是源于不同的缺陷體。D<,1>中心為二次缺陷，而E<,1>/E<,2>為輻照誘生的初級缺陷。而且D<,1>中心的初級缺陷和E<,1>/E<,2>具有

8、明顯不同的退火行為，因此也不是源于相同的缺陷。說明采用光致發(fā)光和深能級瞬態(tài)譜研究的結(jié)果沒有一一對應(yīng)的關(guān)系。 二、深能級瞬態(tài)譜研究： 1、在我們前期工作，對p型6H-SiC輻照誘生缺陷的深能級瞬態(tài)譜研究中，在高能電子輻照后的p型6H-SiC觀測到兩個深能級H1和H2，但是還沒能詳細地給出它們的結(jié)構(gòu)信息。本論文用深能級瞬態(tài)譜(DLTS)技術(shù)對0.3MeV～1.7MeV不同能量電子輻照后的p型6H-SiC誘生缺陷進行了研究，觀

9、察到了輻照誘生缺陷的產(chǎn)生。電子輻照的能量為0.3MeV時，深能級信號H1出現(xiàn)；而當(dāng)電子輻照的能量E<,e>≥0.4MeV時，深能級信號H2也被檢測到。它們具有較低的退火行為，分別在500℃和250℃被退火掉。根據(jù)移動SiC晶格中C和Si兩種原子所需的能量，移動SiC晶格中碳原子所需輻照的電子能量為230keV，而移動硅原子所需的最低電子能量為400keV，分析它們的退火行為，并且結(jié)合電子輻照后p型6H-SiC中的碳空位V<,c>在電子順

10、磁共振(EPR)和正電子壽命譜(PAS)等的研究結(jié)果，本實驗認為H1和H2源于不同結(jié)構(gòu)的碳空位缺陷。 2、對不同能量電子輻照后的p型6H-SiC樣品做了350℃-1600℃進一步高溫退火，觀察到二次缺陷的產(chǎn)生。研究發(fā)現(xiàn)對于低能電子輻照(0.4MeV，0.5MeV)樣品，500℃退火產(chǎn)生的二次缺陷G在900℃被退火掉，而700℃退火產(chǎn)生的二次缺陷I和K在1400℃被退掉，1400℃退火還能產(chǎn)生新的二次缺陷M，不同于n型6H-SiC

11、輻照誘生缺陷的退火行為；而高能量電子輻照樣品(1.7MeV)分別在700℃和900℃退火后觀測到兩個不同的深能級二次缺陷K和C1的產(chǎn)生。這是第一次深入地對不同能量電子輻照后的p型Sic材料的輻照誘生缺陷進行從低溫到高溫的退火特性研究，其間觀察到二次缺陷和三次缺陷的產(chǎn)生。從實驗上說明了p型6H-SiC中二次缺陷的產(chǎn)生具有復(fù)雜性。n溝道SiC MOS器件的制造工藝中，需要采用離子注入方式進行選擇性摻雜生成源漏，離子注入后，常需要高溫退火激活