基于多孔硅衬底的碳化硅APCVD生长研究

论文摘要

SiC是一种宽带隙半导体材料,具有带隙宽、临界击穿场强高、饱和电子漂移速度大等优点,是高温、高频、高功率半导体器件的首选材料,在微电子学领域具有广阔的应用前景。由于SiC的单晶制备技术较复杂,成本较高,所以采用在Si基片上异质外延生长SiC的方法成为了研究的热点。然而这一方法首要需要解决的是SiC与Si之间存在较大的晶格失配度(约20%)和热膨胀系数差异(8%)。因此,SiC在Si基片上的异质外延制备仍存在困难,还有很多问题需要研究解决。本论文提出在多孔硅衬底上,采用常压化学气相淀积(APCVD)生长SiC薄膜的方法:首先通过双槽电化学腐蚀方法在待生长的Si基片上通过电化学腐蚀得到多孔硅结构作为缓冲层,其次再使用常规的APCVD方法在多孔硅结构上异质外延生长SiC。该方法的优点是利用了预处理的Si片表面的多孔结构来减小与SiC之间的晶格失配度,同时在APCVD生长过程中不用进行缓冲层的预生长,可以直接在多孔硅衬底上生长SiC薄膜。论文首先分析了APCVD法生长SiC薄膜的物理和化学机理。对生长的样品,采用X射线衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)及其附件能谱分析(EDS)对外延薄膜的结构性质进行了分析。侧重研究了源气体Si/C比和生长温度对SiC薄膜质量的影响,研究结果表明:SiC薄膜的晶粒尺寸随Si/C比的减小而增大。硅碳比较小时,C的过量将导致化合反应过快,从而导致薄膜表面形成缺陷和空洞,表面变得粗糙;当硅碳比较大时,Si的过量又会使薄膜晶粒尺寸和分布不均匀;只有适当的Si/C比可以得到晶粒取向一致性较好和表面较平整的SiC薄膜。SiC薄膜的晶粒取向的一致性随着温度的进一步升高而变好,晶粒尺寸增大,生长的薄膜从多晶形态向单晶形态转变。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 碳化硅的发展历史及应用现状与前景
• 1.2.1 发展历史
• 1.2.2 应用现状及前景
• 1.3 本论文的主要工作
• 第二章 碳化硅材料特性
• 2.1 碳化硅晶体结构
• 2.2 SiC 材料物理及化学特性
• 2.2.1 SiC 的物理特性
• 2.2.2 SiC 的电学特性与应用
• 本章小节
• 第三章 SiC 材料的制备方法
• 3.1 SiC 单晶材料的制备
• 3.2 SiC 薄膜材料的外延生长方法
• 3.2.1 液相外延生长
• 3.2.2 分子束外延生长
• 3.2.3 溅射沉积生长
• 3.2.4 化学气相沉积
• 3.3 SiCOI 技术
• 3.3.1 注氧隔离
• 3.3.2 晶片键合
• 3.3.3 智能切割
• 3.3.4 SiCOI 外延技术
• 本章小节
• 第四章 多孔硅衬底材料的制备
• 4.1 多孔硅简介
• 4.2 多孔硅的形成机制
• 4.2.1 物理机制
• 4.2.2 量子线效应形成机制
• 4.2.3 电化学制备机制
• 4.3 多孔硅的分类
• 4.4 双槽电化学法制备多孔硅
• 本章小节
• 第五章 多孔硅衬底上的碳化硅APCVD 生长
• 5.1 SiC 薄膜CVD 生长的气体动力学分析
• 5.2 SiC 薄膜CVD 生长的热力学分析
• 5.3 APCVD 外延生长实验
• 5.3.1 APCVD 生长系统
• 5.3.2 衬底清洗
• 5.3.3 实验方案
• 本章小节
• 第六章 实验结果及分析
• 6.1 SiC 薄膜的表征方法
• 6.1.1 傅立叶红外光谱（FTIR）
• 6.1.2 拉曼光谱（Reman Scattering）
• 6.1.3 X 射线光电子能谱（XPS）
• 6.1.4 X 射线衍射谱（XRD）
• 6.1.5 扫描电子显微镜（SEM）
• 6.2 样品分析与结论
• 6.2.1 样品的X 射线衍射分析
• 6.2.2 样品薄膜的表面形貌分析
• 6.3 APCVD 法生长3C-SiC 薄膜的可能机制
• 结论
• 致谢
• 参考文献
• 硕士期间参加课题研究及论文发表情况