SiCGe/SiC异质结光控达林顿晶体管设计及SiCGe/SiC异质结的制备

论文摘要

随着SiC器件广泛而深入的研究，光控碳化硅器件也渐渐地引起人们的研究兴趣。由于禁带宽，SiC光开关只能受控于紫外光源而非常用的可见和红外光源。从实际应用出发，利用SiCGe能隙可在窄于碳化硅能隙的范围内适当剪裁的特点，根据在SiC达林顿晶体管中采用SiCGe／SiC异质结实现单片集成光控达林顿功率开关的设计构想，围绕该新型光控器件的开发，本论文主要从器件结构的设计、SiCGe／SiC异质结的实现及其特性等方面进行了初步的研究。主要结果如下： 1．利用二维数值模拟器MEDICI，在首先完成了对新型器件设计构想的可行性验证之后，从器件制造的可行性出发，提出了几种改进的器件结构，改SiCGe／SiC异质结达林顿晶体管设计为SiCGe／SiC异质结光电二极管与SiC达林顿晶体管单片集成，大大简化了器件制造工艺。 2．完成了对改进型SiC光控器件结构参数的优化设计和器件特性的模拟仿真，证明了这种SiC光控器件具有明显的光控开关特性，并可通过合金组分的调控实现常用近红外光源的有效控制。 3．成功地研制出分别用于在SiC衬底上生长SiCGe和p-SiCGe薄膜的两套水平式热壁CVD生长系统。为了提高外延薄膜的均匀性，设计过程中，采用有限元分析法，通过对电磁感应、热传导和质量输运等多种场的计算，确定了反应室中复杂的温度分布和气流分布，创新地完成了对系统加热组件的优化设计。 4．进行了在SiC衬底上异质外延SiCGe和p-SiCGe薄膜的工艺探索。采用硅烷（SiH4）、丙烷（C3H8）、锗烷（GeH4）、乙硼烷（B2H6）以及载气H2为源气，生长了SiCGe多晶薄膜并实现了p型掺杂。SiCGe薄膜不是SiC和SiGe的简单混合，而是一种具有多相结构特征的三元合金。实验中发现了一种与SiCGe新材料有关的合金相，其2θ=29.6±0.2°的衍射峰在标准ASTM卡片中尚未收录。其生长模式属于两相共存的2D层状+3D岛状混合的S-K生长模式。SiCGe薄膜对可见和近红外光具有较强的吸收，吸收边随组分调整而变化。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 SiC功率开关器件
• 1.1.1 SiC的电学特性的优势
• 1.1.2 SiC双极晶体管研究现状
• 31.1.3 SiC达林顿晶体管研发现状
• 1.2 SiGeC三元合金及其SiGeC/Si异质结光电器件
• 1.2.1 硅上异质外延SiGeC
• 1.2.2 SiCGe/Si异质结及其光电二极管应用
• 1.3 SiCGe/SiC异质结器件
• 1.3.1 SiC上异质外延 SiCGe
• 1.3.2 SiCGe/ SiC异质结光控功率开关器件研究现状
• 1.4 本论文的研究内容和安排
• 2 SiCGe/SiC异质结光控达林顿晶体管的设计
• 2.1 SiC光控达林顿异质结晶体管的提出
• 2.1.1 单管结构 SiC光控晶体管开关
• 2.1.2 达林顿结构 SiC光控晶体管开关
• 2.1.3 SiCGe/SiC异质结光控达林顿晶体管的提出
• 2.1.4 SiCGe/SiC异质结光控达林顿晶体管的可行性分析
• 2.1.5 SiCGe/SiC异质结光控达林顿晶体管结构的改进
• 2.2 SiCGe/SiC光电二极管结构的优化设计
• 2.2.1 SiCGe/SiC光电二极管的量子效率和响应度分析
• 2.2.2 SiCGe/SiC异质结光敏二极管的结构
• 2.2.3 SiCGe/SiC异质结光敏二极管的特性模拟
• 2.3 SiC达林顿晶体管设计中的考虑
• 2.3.1 功率输出单元的设计
• 2.3.2 达林顿晶体管的版图
• 2.3.3 达林顿晶体管纵向结构参数
• 2.4 改进 I型外延台面4H-SiC光控达林顿晶体管的设计
• 2.4.1 器件结构及材料参数选取
• 2.4.2 器件特性模拟结果分析
• 2.5 改进II型离子注入6H-SiC光控达林顿晶体管的设计
• 2.5.1 器件结构及材料参数选取
• 2.5.2 器件特性模拟结果分析
• 2.6 小结
• 3 SiCGe薄膜生长系统
• 3.1 热壁 CVD生长系统的组成与特点
• 3.1.1 热壁 CVD技术
• 3.1.2 热壁 CVD生长系统的基本组成
• 3.2 热壁 CVD设备的研制
• 3.2.1 系统的总体设计
• 3.2.2 供气系统
• 3.2.3 反应室
• 3.2.4 保温层设计考虑
• 3.3 加热组件热场的数值分析与设计
• 3.3.1 有限元模型建立
• 3.3.2 计算结果及分析
• 3.4 流场的数值分析与设计
• 3.4.1 生长温度对薄膜生长的影响
• 3.4.2 气体流速对薄膜生长的影响
• 3.4.3 改进型加热组件的设计与分析
• 3.5 小结
• 4 SiCGe薄膜的异质外延生长
• 4.1 SiCGe薄膜的生长机理与模式
• 4.1.1 SiCGe薄膜生长的基本物化过程
• 4.1.2 异质外延生长的基本模式
• 4.1.3 SiCGe薄膜生长工艺流程
• 4.2 SiC衬底的晶格结构
• 4.3 SiCGe薄膜晶格常数的设计
• 4.3.1 SiCGe/6H-SiC型异质结构晶格常数的设计
• 4.3.2 SiCGe/3C-SiC/6H-SiC缓冲层型异质结构晶格常数的设计
• 4.4 SiCGe/SiC异质结的设计考虑
• 4.4.1 晶格失配对外延 SiCGe材料品质的影响
• 4.4.2 高 Ge组分 SiCGe/SiC异质结的设计考虑
• 4.5 P型 SiCGe薄膜的外延生长
• 4.6 小结
• 5 SiCGe薄膜特性的表征以及工艺参数对薄膜品质的影响
• 5.1 锗硅碳薄膜材料元素及化学状态表征
• 5.1.1 X射线光电子能谱分析
• 5.1.2 SiCGe薄膜中的化学组成及键合态
• 5.1.3 生长工艺对 SiCGe外延膜组分的影响
• 5.2 SiCGe薄膜结构分析与表征
• 5.2.1 X射线衍射技术
• 5.2.2 晶体衍射分析法
• 5.2.3 SiCGe异质外延层的 XRD衍射谱分析
• 5.3 SiCGe薄膜材料表面形貌分析与表征
• 5.3.1 形貌分析
• 5.3.2 SiCGe外延层表面和断面形貌的 SEM分析
• 5.4 SiCGe薄膜材料光学性能表征
• 5.4.1 椭圆偏振法测定 SiCGe薄膜的厚度和折射率
• 5.4.2 透射谱法测定 SiCGe晶体薄膜的吸收曲线和光能隙
• 5.5 P型 SiCGe薄膜电学特性测试与分析
• 5.5.1 导电类型
• 5.5.2 电阻率
• 5.6 小结
• 6 问题与展望
• 6.1 主要工作总结
• 6.2 主要创新点
• 6.3 对今后工作的设想和建议
• 致谢
• 参考文献
• 作者在攻读博士学位期间的研究成果和参加的科研项目
• 附录: SiCGe热壁 CVD系统