CN110993682A - 一种n型硅基宽禁带材料及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公布一种N型硅基宽禁带材料及其制作方法,已解决现有N型硅半导体材料禁带宽度较小问题。其基本单元是基于Si晶胞的SixCyPz超晶胞,x+y+z=1,其中碳原子和磷原子进行替位式掺杂。本发明在原有硅结构的基础上控制掺杂特定浓度的碳原子,提高了材料的禁带宽度,同时对该硅基宽禁带材料进行N型掺杂,可以增加半导体的载流子浓度,形成的N型半导体所制作的功率器件有更优异的电学性能;且新材料的晶格结构与基体材料一致,可适用于硅的传统工艺及装置,具有更大的应用范围。
Description
技术领域
本发明涉及半导体材料领域,尤其涉及一种硅基半导体材料。
背景技术
1950年以来,以硅为代表的第一代半导体材料促进了微电子工业的发展并广泛应用于航空航天、手机、电脑、新能源、集成电路等。在当今社会中扮演越来越重要的角色。但由于硅材料的禁带宽度较窄,导致其电子迁移率、击穿电场和工作温度较小,在高频、高压、高温等方面的应用受到诸多限制,难以满足当今社会需求。基于此需求,第二代第三代半导体横空出世,尤其是以碳化硅为代表的第三代半导体,具有更宽的禁带宽度、更高的工作温度以及更大的电子迁移率被广泛制作成高温、高频、抗辐射的功率器件。
不过,碳化硅等半导体材料虽然性能较硅有很大的提升,但是在设计和制作工艺方面遇到诸多的问题。首先要解决的是很难获取纯度很高的单晶碳化硅,如今碳化硅材料的质量问题还未被解决。其次是工艺装置与传统硅完全不同,涉及外延设备、光刻设备等。
发明内容
本发明提出了一种N型硅基宽禁带材料及其制作方法,旨在解决第一第二代半导体禁带宽度较小问题,以期新的N型材料的半导体功率器件有更好的器件性能。
本发明的技术方案如下:
一种N型硅基宽禁带材料,其基本单元是基于Si晶胞的SixCyPz超晶胞,x+y+z=1,0.1≤y≤0.35,z不超过0.025,y表示所述超晶胞中y·100%的原Si原子被替换为C原子,C原子在整个超晶胞中均匀分布;z表示所述超晶胞中z·100%的原Si原子被替换为P原子,P原子在整个超晶胞中均匀分布。
较佳地,所述超晶胞的三维尺寸为1*5*1,所述超晶胞中30%的原Si原子被替换为C原子。
进一步地,1*5*1的超晶胞的晶格常数分别为5.4305、27.1535和5.4305。
进一步地,1*5*1的超晶胞中,5个Si晶胞分别替位式掺杂C原子的个数为2、3、2、3、2,避免产生C-C键。
较佳地,所述超晶胞中2.5%的原Si原子被替换为P原子。
进一步地,在1*5*1超晶胞中P原子的个数为1个,5个Si晶胞分别替位式掺杂P原子的个数为0、1、0、0、0,避免产生P-C键。
上述N型硅基宽禁带材料的一种制作方法,包括:
取样品单晶硅,通过离子注入工艺以设定的角度注入C+;
通过高温热退火工艺使注入的C+进入目标晶格位置,最终形成Si1-yCy超晶胞结构的硅基宽禁带材料;
再对所述新硅基材料通过离子注入工艺以设定的角度注入P5+;
通过高温热退火工艺使注入的P5+进入目标晶格位置,最终形成所述SixCy Pz超晶胞结构的N型硅基宽禁带材料。
可选地,所述离子注入工艺控制注入离子加速器的能量在100Kv(左右)。
可选地,在离子注入过程中另采用水冷托架,以控制在离子注入过程中样品的温度。
本发明具有以下有益效果:
在原有硅结构的基础上控制掺杂特定浓度的碳原子,提高了材料的禁带宽度,同时对该硅基宽禁带材料进行N型掺杂,可以增加半导体的载流子浓度,形成的N型半导体所制作的功率器件有更优异的电学性能;且新材料的晶格结构与基体材料一致,可适用于硅的传统工艺及装置,具有更大的应用范围。
由于新材料的禁带宽度大于硅材料,新材料价带电子跃迁到导带所吸收的热辐射能量大于硅材料,则新材料的最高工作温度大于硅;同理,因为跃迁能量大于硅,所以新材料所制备的功率器件更难被击穿。因此新材料制作的功率器件将具有耐高温耐高压的优点,以新材料为基础制造的功率器件性能优于硅功率器件。
新材料的禁带宽度可通过掺杂不同浓度的碳原子来调节,对载流子浓度调节可以通过掺杂磷原子的数量来控制。
附图说明
图1是本发明的一个实施例的结构示意图。
Si、C和P原子在超晶胞中的位置如图所示,碳的掺杂浓度为30%,磷杂质浓度为2.5%。
具体实施方式
下面结合附图和实施例详细介绍本发明。
本发明的设计方案如下:
首先,制作基于Si晶胞的Si1-yCy超晶胞材料:
(1)建立硅晶体材料的晶格结构;
(2)根据掺杂浓度确定超晶胞的大小,建立1*5*1超晶胞;
(3)通过替换的方式掺入碳原子;
(4)对新材料的禁带宽度进行计算;
(5)计算新材料的弹性常数、能量是否最低及声子谱以判断新材料是可以稳定存在的;
其次,基于建好的Si1-yCy超晶胞材料,通过替位式掺杂的方式掺入磷原子:
(6)在Si1-yCy新材料的超晶胞中掺杂磷原子;
(7)进行结构优化;
(8)计算掺杂磷后结构的能带结构图和电子态密度图;
(9)通过观察费米能级的位置来判断是否形成了N型半导体;如果费米能级进入导带说明该半导体具有N型半导体的特征,若费米能级进入价带则说明该半导体具有P型半导体的特征;
若载流子浓度未达到要求,可重复步骤(6)-(9)掺入不同浓度的磷原子来调节杂质浓度的大小进而调整载流子浓度。
具体来说:
硅的晶系为立方晶系,晶格常数为5.4305埃,键长为2.3515埃,每个硅原子周围有四个价电子,在形成晶体后与其余硅原子周围的价电子可以形成四个共价键,最终形成一个原子在四面体的中心另外四个原子在四面体的顶角上的四面体,每个键的夹角为109°28’。
依据掺杂浓度计算超晶胞大小,例如本实施例掺杂C的浓度为30%,每个Si晶胞中有8个硅原子,设超晶胞大小为N,确定超晶胞大小需要满足N*8*30%为整数,因此确定N=5,建立超晶胞的大小为1*5*1。
硅是四价元素,磷是五价元素,当在新材料掺入磷时,磷原子占据新材料中硅的位置,其五个价电子中的四个价电子与周围的硅原子形成共价结合,剩余的一个价电子被束缚在磷原子附近,产生了杂质能级,所产生的杂质能级位于禁带的上方靠近导带底附近。杂质能级上的电子很容易激发到导带成为电子载流子。因此称引入的杂质——磷原子为施主,产生的能级为施主能级。在施主能级上的电子跃迁到导带所需能量比从价带跃迁到导带小,宏观上表明杂质半导体具有更好的电学性能。
如图1所示,此时Si0.675C0.3P0.025超晶胞的晶格常数分别为5.4305、27.1535和5.4305。在进行碳原子替位式掺杂的过程中,在每个硅晶胞中掺杂两个碳原子,五个晶胞即超晶胞共掺杂10个碳原子,剩下两个原子分别在第二和第四个晶胞中掺杂,剩余两个原子的掺杂要满足不产生C-C键的原则,保证了在超晶胞中的掺杂是均匀掺杂。这样在超晶胞中共掺杂了12个碳原子,超晶胞中共40个原子,达到了掺杂浓度是30%的目的。在进行磷原子替位式掺杂的过程中,P原子的掺杂浓度确定在超晶胞中掺杂P原子的个数为1个,因此在5个Si晶胞分别替位式掺杂P原子的个数为0、1、0、0、0,掺杂原则是避免产生P-C键。
具体制作工艺如下:
1)选择样品单晶硅及注入离子C+;其中,控制注入离子加速器的能量在100Kv左右,离子注入选取合适的角度,在离子注入过程中选用水冷托架,以控制在离子注入过程中样品的温度。
2)利用高温热退火工艺使注入形成的C原子进入晶格位置。
使用X射线衍射方式来分析材料的应变特征,使用Roman光谱分析材料的稳定性。使用双光束紫外-可见分光光度计来测量材料的透射率,进而计算材料的材料的吸光度,通过拟合吸光度与吸光系数的正比关系来得到材料的光学带隙。
分别计算Si1-yCy(y=0.1,0.15,0.20,0.25,0.30,0.35,0.40)的能带结构,发现y=0时的禁带宽度为0.664eV,y=0.1时的禁带宽度为0.767eV,y=0.15时的禁带宽度为0.822eV,y=0.2时的禁带宽度为0.879eV,y=0.25时的禁带宽度为0.938eV,y=0.3时的禁带宽度为0.998eV,y=0.35时的禁带宽度为0.912eV,y=0.4时的禁带宽度为0.591eV,因此Si0.7C0.3材料的禁带宽度是最大的,经第一性原理计算的结果表明禁带宽度较Si提高了0.334eV。
3)对新硅基材料通过离子注入工艺以设定的角度注入P5+;
4)通过高温热退火工艺使注入的P5+形成P原子并进入目标晶格位置,通过观察费米能级的位置来判断是否形成了N型半导体,最终形成Si0.675C0.3P0.025超晶胞结构的N型硅基宽禁带材料。
新材料的结构能够满足新材料进行N型掺杂的工艺装置与硅进行N型掺杂的工艺装置一致。
第一性原理的计算结果态密度图及能带结构图显示费米能级进入导带,说明该新材料半导体具有N型半导体的特征,测试结果表明其载流子浓度与同等掺杂比例的常规N型硅材料相当。
上述实施例中磷的掺杂比例已属重掺杂,根据实际需要可以降低磷的掺杂比例(相当于多个上述超晶胞中掺杂一个磷原子)。
Claims (9)
1.一种N型硅基宽禁带材料,其特征在于:其基本单元是基于Si晶胞的SixCyPz超晶胞,x+y+z=1,0.1≤y≤0.35,z不超过0.025,y表示所述超晶胞中y·100%的原Si原子被替换为C原子,C原子在整个超晶胞中均匀分布;z表示所述超晶胞中z·100%的原Si原子被替换为P原子,P原子在整个超晶胞中均匀分布。
2.根据权利要求1所述的N型硅基宽禁带材料,其特征在于:所述超晶胞的三维尺寸为1*5*1,所述超晶胞中30%的原Si原子被替换为C原子。
3.根据权利要求2所述的N型硅基宽禁带材料,其特征在于:1*5*1的超晶胞的晶格常数分别为5.4305、27.1535和5.4305。
4.根据权利要求2所述的N型硅基宽禁带材料,其特征在于:1*5*1的超晶胞中,5个Si晶胞分别替位式掺杂C原子的个数为2、3、2、3、2,避免产生C-C键。
5.根据权利要求4所述的N型硅基宽禁带材料,其特征在于:所述超晶胞中2.5%的原Si原子被替换为P原子。
6.根据权利要求5所述的N型硅基宽禁带材料,其特征在于:在1*5*1超晶胞中P原子的个数为1个,5个Si晶胞分别替位式掺杂P原子的个数为0、1、0、0、0,避免产生P-C键。
7.权利要求1所述N型硅基宽禁带材料的制作方法,其特征在于,包括:
取样品单晶硅,通过离子注入工艺以设定的角度注入C+;
通过高温热退火工艺使注入的C+进入目标晶格位置,最终形成Si1-yCy超晶胞结构的硅基宽禁带材料;
再对所述新硅基材料通过离子注入工艺以设定的角度注入P5+;
通过高温热退火工艺使注入的P5+进入目标晶格位置,最终形成所述SixCyPz超晶胞结构的N型硅基宽禁带材料。
8.根据权利要求7所述的N型硅基宽禁带材料的制作方法,其特征在于:所述离子注入工艺控制注入离子加速器的能量在100Kv。
9.根据权利要求7所述的N型硅基宽禁带材料的制作方法,其特征在于:在离子注入过程中另采用水冷托架,以控制在离子注入过程中样品的温度。
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