单轴应变对本征和N掺杂4H-SiC电子结构的影响

采用基于密度泛函理论的第一性原理方法,研究了单轴应变对本征和N掺杂4H-SiC电子结构的影响.研究表明应变可以有效调控本征和N掺杂4H-SiC的带隙,在拉应变作用下,带隙单调减小;而在压应变作用下,带隙先增大后减小,当压应变为-1%时,带隙达到最大值.对态密度的分析可知本征和N掺杂4H-SiC的价带顶主要来自Si 3p和C 2p态电子,导带底主要来自Si 3p态电子,C 2p态和Si 3p态通过影响价带顶和导带底从而导致应变结构中带隙发生变化.通过Mulliken布局和差分电荷密度分析可知,随着晶格常数的增加Si原子向C原子和N原子转移的电荷减少,同时Si-C原子和Si-N原子之间的共价性减弱.

Li掺杂对4H-SiC光电性质影响的理论研究

采用基于密度泛函理论的第一性原理方法,计算了Li掺杂4H-SiC体系的电子结构及光学性质.结果表明,掺杂前后的4H-SiC均为间接带隙半导体,Li原子间隙掺杂后形成n型半导体,Li原子替位式掺杂体系的禁带中出现了杂质能级,降低了电子跃迁时所需的能量;对电荷差分密度图的分析表明,Li原子失去电子,导致Li-C键和Li-Si键的共价性降低,以离子性为主;在可见光区域,相比于4H-SiC体系,掺杂体系的吸收率峰值均有所提高,其中Li间隙掺杂体系吸收带边最小,吸收率峰值最大,掺杂后的4H-SiC体系对红外、可见光、紫外均能够有所吸收,说明Li掺杂能够有效拓宽4H-SiC对光的响应范围.

真空慢退火工艺对4H-SiC核辐射探测器性能的影响

制备了一种肖特基二极管结构的4H-SiC辐射探测器.在真空环境下,用不同的温度对欧姆电极进行慢退火处理,达到良好的欧姆接触.对其反向I-V特性和能量分辨率进行测试对比,欧姆电极在800℃条件下性能最好,在全耗尽状态下能量分辨率为1.36%,耐压测试运行稳定, 200 V偏压下漏电流仅有463 pA.与其他退火温度相比,该工艺下的4H-SiC探测器运行稳定,具有漏电流低、能量分辨率高的优势.

基于4H-SiC APD单光子探测的主动淬灭电路研究

为了对比不同类型淬灭电路对4H-SiC雪崩光电二极管(APD)探测性能的影响,采用被动淬灭电路(PQC)和主动淬灭电路(AQC),对两种类型SiC紫外APD进行了单光子探测实验,发现在PQC较长死区时间内,会频发后脉冲现象,导致APD的暗计数率(DCR)较高,从而降低器件的信噪比;对APD后脉冲概率的时间分布进行了研究,并进一步对AQC在更高器件过偏压下单光子探测中出现的问题进行了分析,提出了电路改进方案。结果表明,通过将AQC死区时间调整至45 ns,在相同单光子探测效率下,可将器件DCR减少至原先水平的1/4;通过有效抑制后脉冲和加快APD恢复速度,AQC可使器件展现出更加优越的探测性能。此研究为SiC APD在单光子探测中的应用提供了一定的参考。

电子辐照对4H-SiC MOS材料缺陷的影响

4H-SiC金属氧化物半导体(MOS)基器件在电子辐照环境下应用时可能产生新的材料缺陷,导致其电学性能发生退化。本文选取结构最简单的MOS基器件(4H-SiC MOS电容器)为对象,研究了一系列电子辐照剂量下材料缺陷的演变情况。在10 MeV电子束下对MOS样品进行30、50、100、500、1 000 kGy剂量的辐照,对辐照前、后样品进行深能级瞬态谱测试(DLTS)和电容-电压(C-V)曲线表征。DLTS实验结果表明,低剂量电子辐照前、后4H-SiC/SiO_(2)界面及近界面处的缺陷没有发生明显变化,而高剂量辐照导致双碳间隙原子缺陷的构型发生了改变,演变后的构型能级位置更深,化学结构更加稳定。C-V曲线测试结果发现,不同电子辐照剂量导致MOS电容器平带电压发生不同程度的负向漂移,这很可能是SiO_(2)氧化层中氧空位数量和4H-SiC/SiO_(2)界面及近界面处缺陷数量共同影响的结果。本文研究结果对研发和优化抗电子辐照的4H-SiC MOS制备工艺具有一定的参考价值。

4H-SiC基功率器件的high-k栅介质材料研究进展

金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)作为碳化硅绝缘栅结构的典型器件被广泛使用,然而SiO_(2)介电常数低的缺点和SiO_(2)/4H-SiC界面特性差的问题一直制约着4H-SiC绝缘栅结构(金属-绝缘体-半导体,MIS)器件更大规模商业化应用,因此科研工作者一直致力于寻找能够替代或弥补SiO_(2)的high-k栅介质材料。本文对该科学问题的研究现状进行综述,首先指出合适的high-k栅介质材料应该拥有较宽的禁带宽度、较高的介电常数、良好的界面特性和热稳定性。然后,主要从栅薄膜制备工艺、沉积温度、栅介质界面特性和电学性能等方面对典型high-k栅介质材料的研究结果进行评价,包括氧化铪(HfO_(2))、氧化铝(Al_(2)O_(3))、氮化铝(AlN)、氧化钇(Y_(2)O_(3))、氧化铈(CeO_(2))、氧化锆(ZrO_(2))、氧化镧(La_(2)O_(3))、五氧化二钽(Ta_(2)O_(5))、钛酸钡(BaTiO_(3))、氧化钬(Ho_(2)O_(3))和由它们组合而成的堆栈栅介质。最后,对未来该领域的研究方向进行了展望和建议,例如对栅漏电流机理的研究、对新材料的更多尝试、器件在极端环境下的可靠性问题等。

基于4H-SiC的开槽四梁式压阻式加速度计设计及仿真研究

基于4H-SiC设计了一种开槽四梁式的压阻式加速度计,通过分析开槽位置、开槽大小对传感器灵敏度及固有频率的影响确定了开槽的相关参数,并对该结构采用有限元方法进行了热-力耦合仿真,确定了该结构在不同温度场下施加不同载荷时的理论电压输出。研究结果表明:该结构相较于传统双端四梁结构输出灵敏度提升51.4%,固有频率仅下降14.2%,在ANSYS 600℃的稳态温度场环境下,传感器输入载荷与输出电压成线性关系,理论满量程输出为39.71 mV。

一种改进型4H-SiC超结UMOS器件

介绍了1种改进型4H-SiC超结UMOS器件。该结构引入上下掺杂浓度不同的P柱并采用底部厚氧化层。P柱可以与N漂移层形成超结结构,从而在保持高击穿电压的同时减小比导通电阻,底部厚栅氧化层可以减小栅漏电容。结合实际的MOSFET工艺,通过SRIM仿真给出了离子注入条件,并通过TCAD软件对器件结构参数进行优化仿真,得到了击穿电压为1035 V、比导通电阻为0.886 mΩ·cm^(2)的超结UMOS器件。

基于4H-SiC的低横向灵敏度压阻式加速度计设计仿真研究

文中基于4H-SiC设计了一种开槽式低横向灵敏度压阻式加速度计,通过分析支撑梁位置及开槽尺寸对加速度计性能的影响确定了相关结构参数,并对该结构采用有限元方法进行了热-力耦合仿真,确定了该结构在600℃温度场中施加不同载荷时的理论电压输出。研究结果表明:该结构相较于已有的双端四梁结构X轴方向的横向灵敏度由3.3%降至2.6%,Y轴方向横向灵敏度由29.9%降至1.5%,传感器芯片在600℃高温环境下输入载荷与输出电压呈线性关系,100 g载荷下的理论输出电压为3.65 mV。

具有沟槽氧化物和P-屏蔽层的4H-SiC MPS的设计与仿真

利用TCAD仿真研究了一种具有沟槽氧化物和P-屏蔽层结构的新型4H-SiC TP-MPS二极管。通过在传统MPS中引入沟槽氧化物和P-屏蔽层,能够有效地抑制器件的迅回效应和改善其反向恢复特性。分别仿真了漂移区掺杂浓度、P-区深度及SiO2厚度等关键参数对迅回效应和反向恢复特性的影响。研究结果表明:增加金属功函数、P-区厚度和SiO2厚度,以及减小漂移区掺杂浓度,均可以有效抑制MPS二极管的迅回效应;而增加SiO2厚度、减小P-区厚度和漂移区掺杂浓度均可以改善其反向恢复特性。对比传统MPS结构,TP-MPS结构在SiO2厚度为2.5μm、P-区厚度为2μm、漂移区掺杂浓度为4×10^(15)cm^(-3)的条件下,转折电压降低了34.8%,反向恢复峰值电流降低了23.5%,反向恢复软度因子增加了80%。TP-MPS二极管对迅回效应有明显抑制作用,并且其反向恢复特性得到改善。

KCl溶液结晶辅助表征4H-SiC衬底中的微划痕

4H-SiC晶圆表面的微划痕会使外延层中产生大量缺陷,但其线宽低于光学表征技术的极限,无法以无损光学检测的方法获得微划痕在晶圆上的分布规律。本研究基于经典成核理论,利用微划痕上的高指数晶面,通过溶液干燥析晶的方法,使KCl晶体优先成核于高表面能的高指数晶面。实验结果表明:当KCl溶液的浓度为0.013 mol/L时,溶液蒸发后的KCl晶体嵌于微划痕的沟壑内,使微划痕可以间接地被光学方法检测。当KCl溶液的浓度大于0.013 mol/L时,KCl晶体会结晶于没有微划痕的区域,干扰对微划痕的表征。本方法制备的KCl晶体仅吸附成核于4H-SiC表面,不与4H-SiC发生化学反应,通过RCA清洗工艺即可完全去除表面的KCl晶体,不影响晶圆的后续加工工艺。

4H-SiC晶片热导率的激光拉曼光谱研究

在本研究中,使用激光激发的激光拉曼光谱研究了4H-SiC晶片从低温(80 K)到室温(290 K)的热导率。在整个测量过程中,激光既作为拉曼光谱的激发源又作为热源,通过激光加热提高了晶片表面的局部温度。同样,拉曼峰的位置会随着晶片温度的升高而向高频侧偏移,通过分析拉曼光谱位置的偏移和局部温度升高的关系得到了4H-SiC晶片的热导率。结果表明,4H-SiC晶片的热导率在低温情况下随温度升高而升高,此时K∝T 3,当热导率的值达到最大后随着温度的升高而降低,此时K∝T-1,这归因于声子-声子间相互作用和声子缺陷散射的作用。

基于4H-SiC探测器多球谱仪的聚变中子能谱测量研究

Bonner多球谱仪作为主要用于测量中子能谱和剂量的仪器,对于聚变装置的辐射监测与防护具有重要意义。为了研究超导托卡马克(Experimental Advanced Superconducting Tokamak,EAST)在中性束注入(Neutral Beam Injector,NBI)加热实验条件下的中子能谱和剂量当量,研制了一套由涂有6LiF的4H-SiC半导体探测器和8个慢化球组成的Bonner中子多球谱仪,在相应放电实验中进行了实验测量。通过与EAST上中子注量监测结果进行源强归一化处理,并结合模拟计算获得的每个慢化球中子响应函数,利用最大熵程序解算出大厅内部中子能谱分布。进一步通过中子注量-剂量转化系数获得中子剂量当量,并与蒙特卡罗方法模拟计算的主机大厅内相应位置的中子能谱和剂量当量进行比较,归一化聚变中子源项下测量位置的中子注量与模拟值的比值为0.98;归一化聚变中子源项下测量位置的周围剂量当量与模拟值的比值为1.05。对比结果验证了该多球谱仪在EAST装置上初步应用的可靠性。

高压下4H-SiC结构、电子和光学性质的理论研究

本文采用基于密度泛函理论(DFT)的第一性原理计算方法对高压下4H-SiC的晶体结构、电子特性及光学性能进行了研究。通过分析不同压力条件下4H-SiC的相对体积、Si—C键长及结构能量的变化,发现该结构在70 GPa以内的压力范围内未发生结构相变;大于70 GPa的压力时,具有金属相的RS结构在能量上更具有稳定性。进一步的研究表明,随着压力的不断增加,4H-SiC作为半导体的带隙值呈现增大趋势。同时,其光学性能,包括吸收特性、介电函数和折射率等,均发生了显著变化,揭示了压力在调节4H-SiC电子与光学性质方面具有巨大潜力。本文的研究不仅证实了4H-SiC在高压极端条件下仍具备优异的物理性能和应用潜力,还为其在高压光电材料领域的应用提供了新的理论依据。

1000V 4H-SiC VDMOS结构设计与特性研究

设计并优化了一种基于4H-SiC的1000V垂直双扩散金属氧化物半导体场效应晶体管(VDMOS),在留有50%的裕度后,通过Silvaco仿真软件详细研究了器件各项参数与耐压特性之间的关系。经优化,器件的阈值电压为2.3V,击穿电压达1525V,相较于相同耐压条件下的Si基VDMOS,4H-SiC VDMOS的击穿电压提升了12%。此外,击穿时4H-SiC VDMOS表面电场分布相对均匀,最大值为3.4×10^(6)V/cm。终端有效长度为15μm,约为Si基VDMOS的6%,总体面积减小了近1/10。并且4H-SiC VDMOS结构简单,与相同耐压条件下的Si基VDMOS相比,未增加额外的工艺步骤,易于实现。

4H-SiC光导开关性能的仿真研究

碳化硅光导开关是相关领域的研究热点,但是文献中对4H-SiC光导开关的理论研究仍然以集总元件模型为主,仅能给出定性结果,典型文献中瞬态条件下的实验数据还没有定量的理论解释。文章使用SilvacoTCAD软件中的器件-电路混合模式,结合自编的载流子迁移率接口程序,对4H-SiC光导开关的光学电学特性进行模拟仿真。单脉冲响应的仿真结果表明,器件在瞬态条件下的峰值光电流随光能的变化与文献中的实验数据相符合,表明所用模型和参数具有合理性。对影响单脉冲响应的主要因素,包括脉冲能量、脉冲宽度、碳化硅厚度,进行了计算和分析。同时,针对两种碳化硅厚度的器件,进行了多脉冲串响应的计算和分析。文章得到的结果和结论对碳化硅光导开关的进一步研究具有较好的参考价值。

4H-SiC肖特基二极管γ射线探测器的模型与分析

在研究反偏压4H-SiC肖特基二极管作为γ射线探测器工作机理的基础上建立了数值模型,模拟了不同偏压和辐照剂量率下探测器的暗电流、工作电流和灵敏度。模拟结果表明:探测器的灵敏度随反向偏压的增加而上升;对于Au/SiC肖特基二极管,有源区掺杂数密度为2.2×1015cm-3时,0 V偏压下探测器的灵敏度为13.9×10-9C/Gy,100 V偏压下为24.5×10-9C/Gy。计算结果与实验数据符合得较好。

4H-SiC射频功率MESFET大信号直流I-V特性解析模型

根据 4H - Si C高饱和电子漂移速度和常温下杂质不完全离化的特点 ,对适用于 Si和 Ga As MESFET的直流I- V特性理论进行了分析与修正 .采用高场下载流子速度饱和理论 ,以双曲正切函数作为表征 I- V特性的函数关系 ,建立了室温条件下 4H - Si C射频功率 MESFET直流 I- V特性的准解析模型 ,适于描述短沟道微波段 4H- Si CMESFET的大信号非线性特性 ,计算结果与实验数据有很好的一致性 .同时与 MEDICI模拟器的模拟结果也进行了比较 .

3英寸半绝缘4H-SiC单晶的研制

报道了采用物理气相传输（PVT）法进行SiC单晶生长方面取得的最新进展，成功研制得到固态微波器件急需的3英寸（75mm）半绝缘4H-SiC衬底。使用计算机模拟技术，进行了3英寸（75mm）4H—SiC晶体生长的热场设计，并在此基础上研制出适合3英寸（75mm）4H．SiCPVT生长的晶体生长设备，采用喇曼光谱对晶体生长表面5点进行测试，结果均为单一的4H晶型，采用非接触电阻率面分布（COREMA）方法测得晶片电阻率为10^9-10^12ΩQ·cm。微管道缺陷（MPD）测量采用熔融KOH腐蚀法，测得平均微管道密度为104个／cm。，其中晶片的30％区域微管道缺陷小于10个／cm2使用x射线双晶衍射测试得到其半高宽（FWHM）为31arcsec，说明所获得的晶体具有良好的结晶完整性。

XRD法计算4H-SiC外延单晶中的位错密度

对用X射线衍射法计算4H-SiC外延中的位错密度方法进行了理论和实验研究。材料中的位错密度大于106cm-2会给材料位错密度的测试会带来一定的困难。首先从理论上分析了位错密度对X射线衍射结果的影响,得出位错密度和峰宽FWHM展宽的关系。然后对4H-SiC样品进行了X射线三轴晶ω-2θ测试,采用不同晶面衍射峰,计算出样品的位错密度。分析了外延中位错产生的原因,并提出了相应的解决办法。