大尺寸SiC晶体的生长缺陷及退火改性研究

论文摘要

SiC晶体具有宽带隙、高临界电场、高热导率、高载流子饱和漂移速度等特点,在高温、高频、大功率及抗辐射等方面具有巨大的潜力,是重要的第三代半导体材料,但微管、位错等缺陷的存在严重制约了SiC晶体在器件上的应用。本课题对PVT法制备的SiC晶体退火前后的结构及缺陷进行了分析。分别采用XRD、拉曼光谱仪、X射线双晶衍射仪、同步辐射白光形貌术对SiC晶体的结构进行分析。利用化学腐蚀法对SiC晶体的微管、位错等缺陷进行显微观察,总结了微管的形貌特征,并利用同步辐射白光形貌术对SiC晶体的位错缺陷进行研究,计算了SiC晶体的位错密度。分别采用1400℃、1600℃、1800℃氩气保护条件下退火1个小时,然后经过氧化、酸洗、机械抛光对退火过的SiC晶体进行了后期处理。通过低温光致发光谱仪（LTPL）、电子顺磁共振谱仪（EPR）对SiC晶体的点缺陷随温度的变化进行分析。主要研究结果如下:第一,通过多种表征方法对所制备的SiC晶体的结构进行了表征,表明该SiC晶体为4H-SiC晶体,具有明显的六方对称性,且在退火后没有发生变化。第二,通过对SiC晶体进行KOH腐蚀处理,在SiC晶体表面获得形状规则、尺寸合适的六方腐蚀坑,得到位错、微管的直观形貌图。通过对劳埃斑点的放大图像进行分析,观察到黑色的位错线条,并计算得到位错密度为1.9×103cm-2。第三,LTPL结果表明,SiC晶体中存在的空位、反空位、空位对等点缺陷在1400℃、1600℃退火后有所减少,但在1800℃退火后增加。EPR图谱中只发现了碳空位且其随退火温度的变化与LTPL结果相一致,即碳空位浓度在1600℃退火后达到最小值。以上结果表明,采用适当的温度退火能有效的减少SiC晶体的点缺陷。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 SiC的多型结构
• 1.3 SiC单晶制备
• 1.3.1 Acheson法
• 1.3.2 Lely法
• 1.3.3 物理气相传输法
• 1.3.4 外延生长法
• 1.4 SiC晶体缺陷及其研究现状
• 1.5 本论文的主要研究内容及意义
• 第2章 实验过程及表征方法
• 2.1 碳化硅晶体生长
• 2.2 样品制备
• 2.3 SiC晶体退火处理
• 2.3.1 高温退火
• 2.3.2 氧化处理
• 2.3.3 酸洗
• 2.3.4 机械抛光
• 2.4 SiC晶体结构、缺陷表征方法
• 2.4.1 同步辐射白光形貌仪
• 2.4.2 X射线衍射仪（XRD）
• 2.4.3 扫描电子显微镜（SEM）
• 2.4.4 拉曼光谱仪（Raman Spectroscopy）
• 2.4.5 X射线双晶衍射仪
• 2.4.6 低温光致发光光谱仪
• 2.4.7 电子顺磁共振谱仪
• 2.5 本章小结
• 第3章 SiC晶体结构及缺陷分析
• 3.1 SiC晶体的结构
• 3.2 SiC晶体中的缺陷
• 3.2.1 点缺陷
• 3.2.2 位错
• 3.2.3 微管
• 3.3 本章小结
• 第4章 SiC晶体的退火处理
• 4.1 退火处理对SiC晶体结构的影响
• 4.2 退火处理对SiC晶体中点缺陷的作用
• 4.3 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢