碳化硅杂质原子及电离能

  杂质碳化硅中的杂质原子一般以替换硅或碳原子的替位方式存在。其中，氮、磷等原子一般只替代碳，铝原子只替代硅，而硼原子则既可替代硅也可替代碳。但是，由于立方结构中的硅位和碳位与六方结构中的硅位和碳位具有不同的次近邻关系，杂质原子置换不同晶体结构中的硅或碳所受到的静电势作用显然不会完全相同。因此同样是氮原子，当其处在立方结构硅位时的电离能，与处在六方结构硅位时的电离能是不相同的。这就是说，碳化硅的同素异构特征即便不会影响杂质原子的替位倾向，也会影响杂质原子的能级，即杂质的能级位置不但取决于杂质及其替换的本位原子，也取决于替换位置的位形背景。这样，在2H-SiC以外的其他各种α-SiC同素异构体中，由于多种不等价点阵位置的存在，杂质通常具有多重能级。譬如，6H-SiC因为有一种六方晶系正四面体位置和两种立方晶系正四面体位置，同一替位杂质有可能在其中产生三条不同的能级。
 
  碳化硅中几乎所有杂质的电离能都超过室温kT，电离能最低的N施主也有2倍室温kT之高，通常使用的受主杂质的电离能则高达数百meV。
 
  利用光致发光技术(PL)、霍尔效应测试技术(HL)和红外吸收技术(IR)等方法确定的氮、铝、镓、硼在几种常用碳化硅同素异构体中的电离能示于表1。表中，(C)和(H)分别表示杂质在立方结构和六方结构中的能级；E_x表示激子的束缚能，其值对3C-、4H-和6H-SiC分别为13.5meV、20meV和78meV。

 
  V族元素N和Ⅲ族元素B与Al是未经故意掺杂的碳化硅晶体中常见的自然杂质，也是制造碳化硅器件的掺杂工艺首选的掺杂物。器件模拟时一般将氮施主的电离能取为0.1eV，而将铝受主的电离能取为0.2eV。
 
  如果在制备碳化硅晶体时使用的源、坩埚以及晶体生长装置的其他部件都用纯度足够高的材料制成，且经过非常严格的清洁处理，则长出的晶体或外延层一定是n型，使之成为n型的施主杂质就是N。因而高纯度的碳化硅，无论是哪一种同素异构体，通常都呈现n型导电性。坩埚和晶体生长设备表面的气体吸附是碳化硅中N的主要来源。即便是在除气效果很理想的情况下制备的碳化硅晶体，仍会有一定的N施主浓度。在制备碳化硅外延层的时候，生长面是硅面时的外延层中N的含量会比生长面是碳面时低，外延温度较高时的外延层N含量会比较低温度下制备的外延层低，生长较快的外延层的N含量要比生长较慢时低。但是，高温和高生长速率容易导致空位等缺陷的增生，因而N施主的浓度较难低于10¹⁵/cm³降低碳化硅生长过程中的N玷污的最有效办法是在生长设备中尽量避免使用对气体的吸附能力强的部件和器皿，譬如用钽代替石墨做坩埚或衬底托。
 
  由于N施主杂质不易从晶体中清除干净，因而碳化硅的n型掺杂一般不使用其他V族元素。从研究的角度，在生长3C-SiC时掺磷也得到了有效的施主中心，但磷的电离能几乎是氮的2倍。N在碳化硅晶体中的扩散速度较低，因而不适合于用扩散方法掺杂，宜采用离子注入或在生长过程中采用气相掺杂。也正因为N在碳化硅晶体中的扩散速度低，碳化硅晶体和外延层的N含量才与生长速率关系较大。
 
  铝作为碳化硅晶体的自然杂质主要来自原材料。用碳化硅磨料作升华源制备的碳化硅晶体一般铝含量较高。
 
  硼杂质主要来自生长设备中的石墨部件。在低气压条件下，硼与碳形成非常稳定的化合物，极难去除。
 
  氧在碳化硅中起受主作用，其电离能为(180±5)meV。
 
  在对n型3C-SiC外延膜做霍尔效应测试时发现其施主杂质的电离能E是杂质浓度的函数，其函数关系用如下经验公式表示：  
  6H-SiC中的施主和受主也有电离能随杂质浓度变化的类似现象。
 
  钒(V)是目前所知对SiC应用具有特殊意义的一种双性深陷阱杂质。在6H-SiC中，钒可产生一条深施主和一条深受主，二者分别位于导带底以下1.13eV和0.7eV处。在6H-SiC中掺钒，利用它对电子和空穴的陷阱作用，可实现杂质的高度补偿，由此获得半绝缘碳化硅衬底，满足碳化硅和氮化镓微波功率器件与微波单片集成电路(MMIC)研制的需要。不过，钒在碳化硅中的固溶度不高，只有(3~5)×10¹⁷/cm³，浓度稍高一点就会严重破坏碳化硅的晶格完整性。因此掺钒制备半绝缘碳化硅，首先要提高碳化硅的纯度。由于杂质电离能高，常温下碳化硅一般处于非简并状态，其热平衡载流子密度同样由导带底和价带顶的等效态密度N_c和N_v与玻尔兹曼分布函数的乘积决定。



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