大尺寸6H-SiC半导体单晶材料的生长

报道了生长SiC单晶的PVT法生长工艺,研究了晶体生长温度、温度梯度、生长室压力、杂质等因素对晶体生长和晶体质量的影响,确定出合理的工艺条件,生长出φ45mmSiC单晶.X射线衍射表明,生长的单晶为6H多型结构,通过腐蚀法得到晶体中微管道密度约为10³cm^-2,位错密度约为10⁴～10⁵cm^-2.测试了SiC单晶的半导体特性,结果表明:晶体为n型,电阻率约300Ω·cm,迁移率90cm2V^-1S^-1,载流子浓度在10¹⁴cm^-3量级.     

同步辐射白光形貌术观察SiC单晶中的微小多型结构

采用同步辐射白光形貌术观察了6H和4H-SiC单晶片中的微小多型结构.基于透射同步辐射形貌术的衍射几何和晶片的取向,计算了SiC晶体中3种主要多型在Lane像中对应不同反射的成像位置,并与实际结果进行了比较.鉴别出6H和4H-SiC单晶中分别存在着少量的4H-SiC和15R-SiC多型的寄生生长.     

VLS同质外延6H-SiC薄膜生长的研究

碳化硅(SiC)是第三代宽禁带半导体材料,在高温、高频、高功率、光电子及抗辐射等方面具有巨大的应用潜力.以CH4、SiH4为反应气体,H2为载气,采用化学气相沉积法,利用气-液-固(VLS)生长机理,同质外延6H-SiC薄膜.结果表明,VLS机制能在外延薄膜的表面有效地封闭微管,但是由于n(C)/n(Si)较大,薄膜表面存在大量的台阶.为了进一步改善薄膜表面形貌,采用"两步法"工艺外延SiC薄膜,在封闭微管的同时提高了表面平整度,得到了质量较好的6H-SiC外延薄膜.     

4H-SiC晶体中的层错研究

采用物理气相传输法(PVT法)在4英寸(1英寸=25.4 mm)偏<11¯20>方向4°的4H-SiC籽晶的C面生长4H-SiC晶体。用熔融氢氧化钾腐蚀4H-SiC晶体, 并利用光学显微镜研究了晶体中的堆垛层错缺陷的形貌特征和生长过程中氮掺杂对4H-SiC晶体中堆垛层错缺陷的影响。结果显示, 4H-SiC晶片表面的基平面位错缺陷的连线对应于晶体中的堆垛层错, 并且该连线的方向平行于<1¯100>方向。相对于非故意氮掺杂生长的4H-SiC晶体, 氮掺杂生长的4H-SiC晶体中堆垛层错显著偏多。然而, 在氮掺杂生长的4H-SiC晶体的小面区域, 虽然氮浓度高于其他非小面区域, 但是该小面区域并没有堆垛层错缺陷存在, 推测这主要是由于4H-SiC晶体小面区域特有的晶体生长习性导致的。     

CMTD晶体(001)面的表面形貌观测及其结晶形态研究

用倒置相差显微镜观察了CdHg(SCN)4(H6C2OS)2(CMTD)晶体结晶过程的形态变化。同时用原子力显微镜(AFM)对CMTD的(001)面进行形貌观察，测得的初级台阶高度为1．411nm，是晶胞参数c的一半，发现了螺旋生长丘及缺陷．并对生长丘的中心孔芯作了初步分析，讨论了CMTD晶体所特有的“树杈状”和“一字形”缺陷及形成机理。     

同步辐射背反射白光形貌术观察6H-SiC单晶中的小角晶界和微管

利用同步辐射X射线形貌术对升华法生长的6H-SiC(0001)晶片中的小角晶界与微管缺陷进行了研究.小角晶界在同步辐射中的形貌成直线沿〈11- 00〉方向分布.根据螺位错附近的应变场和衍射几何,模拟了基本Burgers矢量大小的螺位错在同步辐射形貌像中的衍衬像,模拟结果与实验结果符合较好.据此指认了基本螺位错,并确定了微管Burgers矢量的大小.     

Ru对一种高W镍基单晶合金蠕变性能的影响

设计并制备了4%W/无Ru、6%W/无Ru以及6%W/2%Ru三种镍基单晶高温合金,通过蠕变性能测试、组织形貌观察、元素分布测定以及XRD谱线测定,研究Ru对一种高W镍基单晶合金蠕变性能的影响。结果表明,提高W含量会促进拓扑密堆相(TCP)析出,从而影响蠕变寿命,6%W/无Ru合金在1070℃/137 MPa条件下的蠕变寿命仅为58 h。元素Ru可改善元素W在γ/γ两相的浓度分布,高温蠕变期间元素Ru可抑制元素W由γ相向γ相扩散。6%W/2%Ru合金经高温蠕变无TCP相析出,其在1070℃/137 MPa条件下的蠕变寿命高达383 h。三种合金在高温蠕变期间,γ相均可形成垂直于应力轴方向的筏状结构,TCP相可破坏筏状结构的连续性,导致γ/γ两相扭折程度加剧,是6%W/无Ru合金蠕变寿命较低的主要原因。     

Micro-Raman光谱鉴定碳化硅单晶的多型结构

利用激光拉曼光谱仪测量了SiC单晶中不同多型的显微Raman光谱.在Raman光谱中,最大强度的FTA模和FTO模应出现在其简约波矢x等于该多型的六角度h处,据此对4H-SiC单晶中的多型进行了鉴定.同时采用高分辨X射线衍射测量了该晶片不同区域的摇摆曲线,将不同多型体的计算衍射角与实验值加以比较,对SiC晶片中的多型进行了标注,所得结论与激光Raman光谱测定结果相一致,说明Raman光谱是一种简单、快速地鉴定多型结构的强有力的工具.实验结果表明,在升华法生长4H-SiC单晶过程中,容易出现寄生6H、15R多型同4H多型的竞争生长,简单分析了寄生多型产生的原因.     

Ge掺杂碳化硅晶体的生长缺陷

采用物理气相传输法(PVT)制备了2英寸Ge掺杂和非掺SiC晶体, 并使用二次离子质谱仪(SIMS)、显微拉曼光谱(Raman spectra)仪、体式显微镜、激光共聚焦显微镜(LEXT)和高分辨X射线衍射(HRXRD)仪等测试手段对其进行了表征。结果表明, Ge元素可以有效地掺入SiC晶体材料中, 且掺杂浓度达到2.52×10¹⁸/cm³, 伴随生长过程中Ge组份的消耗和泄漏, 掺杂浓度逐渐降低; 生长初期高浓度Ge掺杂会促使6H-SiC向15R-SiC晶型转化, 并随着生长过程中Ge浓度的降低快速地转回6H-SiC稳定生长。用LEXT显微镜观察发现, 生长初期过高的Ge掺杂导致空洞明显增多, 位错密度增加, 掺杂晶体中位错密度较非掺晶体增大一倍。HRXRD分析表明掺Ge能增大SiC晶格常数, 这将有利于提高与外延III族氮化物材料适配度, 并改善器件的性能。     

氧化剂浓度对4H-SiC化学机械抛光效果的影响

以4H-SiC(0001)面为研究对象,采用原子力显微镜和X光电子能谱研究了抛光晶片表面的形貌和成分,讨论了氧化剂浓度对SiC化学机械抛光去除速率以及微观形貌的影响。结果表明,在化学机械抛光过程中SiC晶片的表面会生成二氧化硅,抛光液中氧化剂的浓度直接影响SiC的氧化进程,增大氧化剂的浓度可以显著提高抛光去除速率,当氧化剂浓度为0.15mol/L时,抛光去除速率可以达到约1 200nm/h,同时可以获得一个无划痕、超光滑、具有原子台阶构型的抛光表面,表面粗糙度值Ra低至0.0853nm。     

The photoelastic constant and internal stress around micropipe defects of 6H-SiC single crystal

Hexagonal silicon carbide (6H-SiC) single crystals made by a modified Lely method contain a ‘micropipe’ which is one kind of serious defects degrading device performance. The micropipe accompanies strong internal stress around itself. We determined the photoelastic constant in the plane of (00·1) 6H-SiC and then estimated the magnitude of the internal stress around the micropipes. The photoelastic constant was 2.73 brewster at λ=546 nm. The internal stress around the micropipe was estimated to be 113∼166 MPa.     

Methods for the reduction of the micropipe density in SiC single crystals

Micropipes are very harmful for SiC devices. Even one micropipe in the active area can destroy a high-voltage SiC device. Therefore, it is necessary to reduce the density of micropipes in SiC single crystals. In the present paper, we proposed methods for reducing micropipes. Restriction of screw dislocations and decrease of inclusions are the key factors to reduce the number of micropipes. (0 0 0 1) Si-face, and crystal faces acted as growth surface in different experiments. Active carbon was appended to act as carbon source. The crucible and active carbon were subjected to X-ray diffraction investigation before and after growth. The experimental results indicate that the activity of the graphite crucible was low, and it decreased with the progressing crystal growth, which increased the probability of micropipe formation. Appending active carbon can act as ample carbon source for crystal growth. The reduction of micropipes was achieved by the restrained formation of Si liquid phase. Using and crystal faces as the growth surfaces the generation of micropipes was restricted, as no new micropipe generated on the and crystal faces. At the same time, the density of edge dislocations is reduced considerably.     

ZnSe单晶CVT法生长与系统优化

采用热力学数值计算的方法, 分析了ZnSe-I₂、H₂、HCl和NH₄Cl化学气相输运系统的特性. 对比计算结果表明, ZnSe-NH₄Cl系统具有压力高、输运反应焓变适中的特点. NH₃分解产生的H₂起着调节输运组分H₂Se分压的作用. 以ZnSe-I₂输运系统中实际输运组分分压值为参考, 确定了ZnSe-NH₄Cl系统中单晶生长工艺参数范围: 温度在1000℃左右, NH₄Cl的浓度范围在0.5~1.0mg/mL之内. 采用该工艺生长了尺寸约为8mm×6mm×4mm的ZnSe单晶, 生长态(111)面摇摆曲线半峰宽为60.48’’, 蚀坑密度(EPD)为(4.5~5.0)×10⁴/cm².     

Progress in the industrial production of SiC substrates for semiconductor devices

The production of large diameter, high quality SiC substrates is essential to realize the full potential of this important semiconductor material. The current status of SiC bulk sublimation growth for the production of these substrates is reviewed from an industrial point of view. Specific efforts towards larger diameter high quality substrates have led to the production of 50 and 75 mm diameter 4H and 6H wafers and the demonstration of high quality 100-mm wafers. We present thermal conductivity data for material of different doping levels, relevant for device applications. In SiC, micropipes are the most harmful defects for SiC device production. By continuous optimization of the growth process we were able to steadily decrease the micropipe density over the past several years, down to densities as low as 1.1 cm⁻² for an entire 50-mm wafer, indicating that micropipes may be totally eliminated in the next few years. In order to achieve this goal for SiC substrates of increasing diameter, a thorough understanding of the growth process is essential. We will summarize results of modeling the growth process and its experimental verification. The effect of micropipe densities and their characteristic lateral distribution in SiC wafers on achievable device yields will be discussed, using large area Schottky diodes as an example.     

拉曼面扫描表征氮掺杂6H-SiC晶体多型分布

采用物理气相传输法(Physical Vapor Transport, PVT)沿[0001]方向生长了一个直径为2英寸的氮掺杂6H-SiC晶体. 采用拉曼面扫描方法对晶体中多型的分布进行了细致表征, 研究了SiC晶体生长过程中多型的产生和演化. 在6H-SiC晶体中观察到了15R-SiC和4H-SiC两种多型. 在拉曼面扫描得到的晶体多型分布图上观察到了两类次多型结构区域, 一类是继承其生长界面上对应的次多型结构形成的次多型结构区; 另一类是由温度、压力等生长条件波动导致在6H-SiC主多型中出现的15R-SiC多型结构区. 第一类次多型结构区中掺入的氮元素较多, 载流子浓度较高, 并且随着晶体生长不断扩大; 第二类次多型结构区对晶体结晶质量的影响较小, 且提高生长温度可以抑制15R-SiC多型结构.     

In:Ga2O3氧化物半导体晶体的生长与性能研究

β-Ga₂O₃晶体是一种新型宽禁带氧化物半导体材料, 本征导电性差。为了在调控导电性能的同时兼顾高的透过率和结晶性能, 离子掺杂是一种有效的途径。采用光学浮区法生长出ϕ8 mm×50 mm蓝色透明In:Ga₂O₃晶体, 晶体具有较高的结晶完整性。In³⁺离子掺杂后, β-Ga₂O₃晶体在红外波段出现明显的自由载流子吸收, 热导率稍有减小。室温下, In:Ga₂O₃晶体的电导率和载流子浓度分别为4.94×10^-4 S/cm和1.005×10¹⁶ cm^-3, 其值高于β-Ga₂O₃晶体约1个数量级。In:Ga₂O₃晶体电学性能对热处理敏感, 1200℃空气气氛和氩气气氛退火后电导率降低。结果表明, In³⁺离子掺杂能够调控β-Ga₂O₃晶体的导电性能。