【摘 要】
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碳化硅（SiC）作为第三代半导体材料,相比其它半导体材料具有禁带宽度大、临界击穿场强高、电子饱和漂移速度快、热导率高及化学性能稳定等诸多优点,是制备高温、高频、大功率半导体器件的优质材料。近年来随着我国在新能源电动车、光伏发电和5G通讯等领域的大力布局,SiC产业得到了快速发展,整个市场对SiC单晶衬底的需求不断扩大。但是,先进的SiC单晶衬底技术几乎被国外龙头企业垄断,限制了SiC产业的发展,因
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碳化硅（SiC）作为第三代半导体材料,相比其它半导体材料具有禁带宽度大、临界击穿场强高、电子饱和漂移速度快、热导率高及化学性能稳定等诸多优点,是制备高温、高频、大功率半导体器件的优质材料。近年来随着我国在新能源电动车、光伏发电和5G通讯等领域的大力布局,SiC产业得到了快速发展,整个市场对SiC单晶衬底的需求不断扩大。但是,先进的SiC单晶衬底技术几乎被国外龙头企业垄断,限制了SiC产业的发展,因此实现高质量SiC单晶衬底的国产化具有十分重大的意义。本文首先基于密度泛函理论的第一性原理平面波超软赝势方法,通过Materials Studio软件中的CASTEP模块,研究了4H-SiC不同掺杂体系的晶体结构、能带结构和电子态密度,其次制备了p型和n型的4H-SiC单晶衬底,并对样品进行了形貌分析、晶体结构和质量表征及电学性能测试,具体研究内容如下:（1）通过B、Al、Ga元素分别替换4H-SiC晶胞结构中的Si原子,构建了Si0.9375X0.0625C、Si0.95833X0.04167C和Si0.96875X0.03125C（其中X代表掺杂的B、Al、Ga元素）三种掺杂浓度的p型掺杂体系。与本征4H-SiC体系相比,掺杂后晶格发生变化,其中Al掺杂引发的晶格畸变最小;掺杂后能带宽度均小于本征体系,同一掺杂浓度体系中,Al掺杂的能带宽度最大,且随着掺杂浓度的升高,能带宽度不断增大,费米能级深入价带,载流子浓度升高,有利于导电性的增强,因此Al比B和Ga更适合作为p型4H-SiC的掺杂剂。基于理论计算的指导,采用物理气相传输（PVT）法制备了不同Al掺杂浓度的4英寸p型4H-SiC单晶衬底,通过原子力显微镜（AFM）、平整度测试仪分析样品的表面形貌;通过拉曼光谱表征样品的晶型;经过KOH腐蚀后表征位错密度;通过电阻率和霍尔测试分析其电学性能。结果显示,不同Al掺杂浓度的p型4H-SiC单晶衬底表面均十分光滑,粗糙度小于0.2 nm,平整度较好,且晶型稳定;随着Al掺杂浓度的增加,样品位错密度升高,（004）晶面摇摆曲线半高宽变大,晶体质量降低;样品整片电阻率已经可以小于0.5Ω·cm,随着掺杂浓度越高,虽然载流子浓度有一定程度的升高,但由于受到晶体缺陷增加的影响,载流子迁移率的降低更为明显,因此电阻率随Al掺杂浓度的升高而降低。（2）通过N、P、As元素分别替换4H-SiC本征体系中的C原子,构建Si X0.0625C0.9375、Si X0.04167C0.95833和Si X0.03125C0.96875（其中X代表掺杂的N、P、As元素）三种掺杂浓度的n型掺杂体系。对比发现,N掺杂的体系最稳定,引发的晶格畸变最小;同种掺杂体系下,能带宽度按N、P、As的顺序依次减小;在不同的掺杂体系中,N掺杂4H-SiC的能带宽度随掺杂浓度的升高而增大,P和As掺杂的能带宽度随掺杂浓度的升高而减小,且掺杂浓度越高,变化越明显。由于N掺杂体系最稳定,低掺杂浓度下即可有较大的能带宽度,且氮气在进行PVT法生长时更易于控制,所以N是最适合4H-SiC单晶生长的n型掺杂剂。通过PVT法制备了N掺杂的4英寸n型4H-SiC单晶衬底,表征结果显示其表面光滑且平整,整片晶型为稳定的4H-SiC,微管密度仅为0.028个/cm~2,但位错密度还相对较高,总位错密度达到了11538个/cm~2,全片电阻率平均值仅为0.025Ω·cm,且具有较高的载流子浓度和载流子迁移率。
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