顶部籽晶溶液法生长碳化硅单晶及其关键问题研究进展

因其优异的物理特性,第三代半导体碳化硅(SiC)材料在高温、高频、高压及大功率电力电子器件和射频微波器件领域具有非常明确的应用前景。受限于自身技术特点,利用传统的物理气相输运(PVT)法制备SiC晶体仍面临许多技术挑战,难以满足当前电子器件对大尺寸、高质量和低成本SiC单晶衬底的迫切需求。顶部籽晶溶液(TSSG)法可以在更低的温度和近热力学平衡条件下实现SiC晶体制备,能够显著弥补PVT法的不足,正逐渐成为极具竞争力的低成本、高质量SiC单晶衬底创新技术之一。本文首先阐述了TSSG法生长SiC晶体的理论依据,并给出了各工艺环节要点,然后归纳了TSSG法生长SiC晶体的主要技术优势,梳理了国内外在该技术领域的研究现状并重点讨论了TSSG法生长SiC晶体关键技术问题、产生机制,以及可能的解决途径等。最后,对TSSG法生长SiC晶体的未来发展做出展望。

InGaAs/InP材料的MOCVD生长研究

研究了InGaAs/InP材料的MOCVD生长技术和材料的性能特征。InP衬底的晶向偏角能够明显影响外延生长模型以及外延层的表面形貌,用原子力显微镜(AFM)观察到了外延层表面原子台阶的聚集现象(step-bunching现象),通过晶体表面的原子台阶密度和二维生长模型解释了台阶聚集现象的形成。对外延材料进行化学腐蚀,通过双晶X射线衍射(DCXRD)分析发现异质结界面存在应力,用异质结界面岛状InAs富集解释了应力的产生。通过严格控制InGaAs材料的晶格匹配,并优化MOCVD外延生长工艺,制备出厚层InGaAs外延材料,获得了低于1×1015cm-3的背景载流子浓度和良好的晶体质量。

生长温度对4HN-SiC同质外延层表面缺陷的影响

采用化学气相沉积(CVD)的方法在直径100 mm4°偏角衬底上生长4HN-SiC同质外延片,研究工艺生长温度对外延层表面缺陷的影响,并使用金相显微镜、表面缺陷测试设备、汞探针和红外膜厚仪进行分析和表征。结果表明,工艺生长温度由1 550℃增加到1 620℃,外延层表面的三角形缺陷密度可降低至0.39 cm^(-2);但随着工艺生长温度的增加,导致外延层边缘的台阶聚集数量和长度也急剧增加。在高生长温度下,外延层表面三角缺陷减少以及边缘台阶聚集增加的原因为:一是衬底表面原子迁移率的增加,减少了衬底表面2D生长;二是硅原子的气相成核受到抑制;三是〈1100〉和〈1120〉方向横向生长速率的差异加剧。综上结果,采用1 550℃生长工艺可在高生长速率下制备厚度均匀性和掺杂浓度均匀性分别为1.44%和1.92%的高质量4HN-SiC同质外延片。

生长前预刻蚀对4H-SiC衬底表面形貌的影响

本文采用原子力显微镜对不同生长前预刻蚀条件下的4H-SiC衬底的表面形貌进行检测和研究。检测结果表明刻蚀时间的长短和刻蚀温度的不同对衬底表面形貌会有不同的影响,通过对刻蚀时间和刻蚀温度的对比研究,找到了最优的刻蚀条件。采用该刻蚀条件进行外延生长,获得了极低的表面缺陷和较好的表面粗糙度,表明该刻蚀条件的有效性。