SiC的材料特性_第三代半导体_宽禁带半导体材料

第二章碳化硅材料特性

半导体的晶体结构和半导体器件的性能有着必然的联系。本章分析了SiC特殊的晶体结构，及与之相关的SiC杂质的不完全离化。

碳化硅的晶体结构

碳化硅的结构

碳化硅作为碳和硅唯一稳定的化合物，也是元素周期表中IV族元素中唯一的一种固态碳化物，其晶体结构由致密排列的两个亚晶格组成，每个Si(或C)原子周围包围的四个C(或Si)原子通过定向强四面体sp3键结合在一起，并有一定程度的极化。SiC晶体具有很强的离子共价键，具有很高的德拜温度。这一结构决定了碳化硅异常突出的化学稳定性和热稳定性，宽禁带和优良的抗辐照等性能。SiC的摩化硬度达到9级，仅次于金刚石；它的热导率达到5k

w ，远高于大多数半导体，室温下几乎高于所有金属，这为制备高温、高功率、高密度SiC集成电路提供了良好潜能[17]。

碳化硅多型体

SiC晶体结构具有同质多型的特点，即在化学计量成分相同的情况下具有不同的晶体结构。如立方密堆积的闪锌矿结构；六角密堆积的纤锌矿结构和菱形结构，分别记做C、H、R。用该字母前的数字表示密排方向每一堆垛周期中Si-C层的数目，如3C、4H、6H、15R等。其中3C代表有三层Si-C原子层周期排列成立方结构，6H表示由6层Si-C为一周期排列的六角结构。一般把六角密堆积的纤维锌矿结构和菱形结构的多型体统称为α-SiC（如4H、6H、15R-SiC）,把立方密堆积的闪锌矿结构的SiC称为β-SiC（3C-SiC）。目前已发现的SiC多型体多达200种，并且从理论上讲多型体的数目是无限制的。

SiC晶体中的不对称点

各种类型的SiC中的不对称位置各不相同。我们以6H-SiC为例进行说明，图2.1为(1120)平面中Si和C原子的Z字形状，小点描述一个特殊垂直于C轴平面上的C原子，而相应的Si原子用大空心点表示[18]。h点是一个晶格位置，在该晶格点上C原子或相关的Si原子与相邻平面之间通过准六角键连接。同样地，k1和

k2点代表C 和相邻的Si 原子与相邻面之间是通过准立方键的晶格位置。另外在图中我们还可以看到，如果用N 原子替代在h ，k1，k2点的晶格原子，那么在晶格的一个周期内，h ，k1，k2三点上替换的N 原子分别距相邻的类C 面晶格和类Si 平面晶格的距离各不相同，这就决定了在6H-SiC 中六角位h 和立方位k1、k2有不同的电特性。反映在杂质离化上就是当杂质原子处于不同的晶格位置上时，杂质原子的离化能不同，即杂质会表现为多个能级。

图2.1 6H-SiC （1120）面原子排列图

经分析，SiC 多型体晶格中的不对称点数如表2.1所示[18]。

表2.1 SiC 多型体晶格中的不对称点数

§2.2本征载流子浓度及其与温度的关系

本征载流子浓度i n 可表示为：

()

)2ex p(2

/1KT

E N N n g V C i -

= (2-1)

C N ＝2C M 2

32

*

)2(h KT m n ⋅π (2-2)

V N ＝2V M 2

3

2

*)

2(

h

KT

m p ⋅π (2-3)

其中K 为玻尔兹曼常数，T 为绝对温度，**

,p n m m 分别为电子和空穴的态密度有效质

量，C V N N ,为价带顶和导带底有效态密度。C M 为导带底的有效状态数，对3C 为3，6H 、15R 为6而4H 为12；V M 是价带顶的有效状态数，对各种类型SiC 都等于6。

在300K 到800K 间，碳化硅的禁带宽度随温度的升高而线性降低。

T E T E T E g g g ⋅+=-+=ββ0)300()300()( (2-4)

其中系数β对α和β碳化硅分别为4103.3-⨯-和4108.5-⨯-[18]。代入公式（2－1）得

)2ex p(02

30KT

E T

N n g i -

= (2-5)

禁隙越大，本征载流子密度越低。室温时，SiC 测量的本征载流子密度很小，如6H 的i n 约为3610--cm 。所以，SiC 单晶在室温时是绝缘。然而，i n 随温度的增加而迅速增加。SiC 材料i n 增加的幅度比Si 和GaAs 更快。图2.2显示了这一变化。碳化硅材料的这一特点将直接影响MOS 器件的温度特性。

300400500600700800

10

-6

10

-2

10

2

10

6

10

10

10

14

GaAs

Si SiC

n i (c m -3

)

T(K)

图2.2 不同半导体的本征载流子浓度随温度变化的比较

碳化硅体材料中杂质的离化率

有效载流子浓度的多级离化模型

SiC 中的掺杂元素有N （n 型）和Al 、B 、Be 、Ga （p 型）等，因为Al 具有相对比较浅的受主能级，所以Al 是最常用的p 型掺杂元素。施主离化能的测定范围较大，这与测量技术、材料质量、材料的多型结构和掺杂浓度有关。前面提到

当杂质原子处于不同的晶格位置上时，杂质原子的离化能不同。对于n 型3C-SiC ，霍尔测量确定了N 的离化能从18meV 到48meV 。而对于6H-SiC ，当N 作为施主原子位于六角位时离化能为84－100meV ，而位于立方位时离化能为125-150meV ，在4H-SiC 材料中对应于六角位和立方位的N 施主能级分别是50meV 和80meV 。对于掺Al 的p 型SiC ，在所有多型结构中发现受主能级均约为200meV ，如在6H-SiC 中，Al 作为受主的离化能分别为220meV （立方位）和180meV （六角位），其它p 型掺杂物如B 有较深的受主能级（320－735meV ）。许多杂质具有比在Si 中更深的能级这一事实说明：室温下在SiC 中将会有部分杂质被冻结。

在固定的杂质能级上，电离受主浓度-

A N 可依据费米－狄拉克统计分布得到。

∑

=-

--=r

i Ai

F A Ai

A

KT

E E g N N 1

)

exp( (2-6)

其中：A g 为受主简并因子，Ai E 表示杂质能级，Ai N 为每个受主能级上的受主杂质数，∑=A Ai N N 为受主掺杂浓度。

将体内空穴浓度)exp(0KT

E E N p F

V V p -= (2-7) 代入公式（2-6）得:

∑

=-+-=r

i V

Ai V p A Ai

A

KT E E N p g N N 1

01)exp( (2-8)

根据准中性条件

∑

=-

+∆=≈r

i Ai V p A Ai

A

p KT

E

N p g N N p 1

001)exp( (2-9)

其中：V Ai Ai E E E -=∆表示杂质能级的电离能。

2.3.2 P 型6H-SiC 的杂质离化率 对p 型6H-SiC

⎪

⎭

⎫

⎝⎛∆++

⎪⎭⎫ ⎝⎛∆+=

+=-

-KT E N p g N KT E N p g N N N p A V p A A A V

p A A A A p 202

101

210exp 1exp 1 (2-10)

由于6H-SiC 有三个不对称点，两个立方位，一个六角位。

（六角位）立方位meV E meV E A A 180),(22021=∆=∆，3,3221A A A A N N N N ==[19]，