稀釋氣體流量對(duì)外延生長(zhǎng)3C-SiC薄膜的影響

朱佩佩，熊夢(mèng)楊，涂 溶

應(yīng)用研究

稀釋氣體流量對(duì)外延生長(zhǎng)3C-SiC薄膜的影響

朱佩佩1，熊夢(mèng)楊1，涂 溶2

（1. 武漢船用電力推進(jìn)裝置研究所，2. 武漢理工大學(xué)，武漢 430064）

3C-SiC具有帶隙寬、臨界擊穿電場(chǎng)高、導(dǎo)熱率高、載流子飽和漂移速率高等優(yōu)異的物理特性，被廣泛應(yīng)用于大功率電子器件。3C-SiC(001)單晶薄膜具有最高的電子遷移率，能顯著提高大功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管（MOSFET）器件的性能。本論文采用激光化學(xué)氣相沉積技術(shù)在Si(001)襯底異質(zhì)外延3C-SiC薄膜，研究了稀釋氣體流量對(duì)3C-SiC(001)薄膜的影響。當(dāng)氫氣流量為0.5 slm時(shí)，薄膜具有最大的電子遷移率590 cm2V-1S-1。

3C-SiC 大功率電子器件 激光化學(xué)氣相沉積

0 引言

半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的發(fā)展先后經(jīng)歷了以Si為代表的第一代半導(dǎo)體材料，以GaAs為代表的第二代半導(dǎo)體材料，Si材料無(wú)法滿足在高溫、高壓、抗輻射等方面的應(yīng)用。GaAs材料雖然能制備在較高溫度下工作的器件，但其熱導(dǎo)率低，不利于電子電力器件的制備。SiC材料是繼Si、GaAs之后發(fā)展最為成熟的第三代半導(dǎo)體材料，可廣泛應(yīng)用于電子電力器件、射頻器件、光電子器件等領(lǐng)域，其優(yōu)越的半導(dǎo)體性能遠(yuǎn)超Si材料[1-5]。

根據(jù)Si-C雙原子層的排列順序差異可形成不同晶型的SiC，目前備受關(guān)注的為3C-SiC、4H-SiC和6H-SiC，3C-SiC具有較高的電子遷移率與空穴遷移率，使得大功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管（MOSFET）有較高的工作電流。

Si(001)面的界面態(tài)密度最低，表面電子遷移率最高，在單晶Si(001)基板上外延生長(zhǎng)3C-SiC(001)薄膜，可實(shí)現(xiàn)3C-SiC異質(zhì)外延薄膜與硅微電子器件的整合[6]。本研究采用激光化學(xué)氣相沉積法在Si(001)基板上外延生長(zhǎng)3C-SiC(001)薄膜，重點(diǎn)研究稀釋氣體流量對(duì)薄膜的影響。

1 實(shí)驗(yàn)方案

1.1 薄膜的制備

采用激光化學(xué)氣相沉積技術(shù)制備薄膜，以Si(001)為基板，六甲基二硅烷(HMDS)為前驅(qū)體原料，氬氣為載流氣，氫氣為稀釋氣體，具體的薄膜生長(zhǎng)工藝參數(shù)如表1所示。

表1 薄膜生長(zhǎng)工藝參數(shù)

1.2 薄膜的表征

1.2.1 薄膜的物相與孿晶含量分析

使用X射線衍射儀（XRD）對(duì)薄膜進(jìn)行物相與孿晶含量分析，其型號(hào)為RigukaUltimaIII。

1.2.2 薄膜的雜質(zhì)及缺陷分析

利用拉曼光譜分析薄膜中的雜質(zhì)相以及缺陷，其型號(hào)為Invia，激光波長(zhǎng)為633 nm。

1.2.3 薄膜的形貌分析

使用場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡（Field Emission Scanning Electron Microscope，簡(jiǎn)稱FESEM）分析薄膜的形貌，其型號(hào)為FEI-Quanta-250。

1.2.4薄膜的電性能分析

采用范德堡法對(duì)薄膜的電性能進(jìn)行表征，薄膜的厚度通過(guò)斷面的SEM圖片測(cè)量，將測(cè)量薄膜的厚度輸入霍爾效應(yīng)測(cè)試系統(tǒng)軟件后可直接獲得所測(cè)薄膜的電學(xué)性能，霍爾效應(yīng)的生產(chǎn)廠商為英國(guó)的Accent Optical公司，其型號(hào)為HL5500PC。

2 結(jié)果和討論

圖1 不同氫氣流量下制備的3C-SiC薄膜的XRD圖譜：（a）0.5 slm，（b）1 slm，（c）1.5 slm，（d）2 slm

圖1是在不同氫氣流量下制備的3C-SiC薄膜的XRD圖譜，從圖中可以看出，氫氣流量對(duì)3C-SiC薄膜的生長(zhǎng)取向影響較小，所有的薄膜均為<001>取向，與Si基板的取向一致，無(wú)其它物相。

圖2 不同氫氣流量下制備的3C-SiC薄膜的拉曼圖譜：（a）0.5 slm，（b）1 slm，（c）1.5 slm，（d）2 slm

圖2為不同氫氣流量下的拉曼譜圖，所有的TO和LO峰均位于792和967 cm-1處，3C-SiC的橫向光學(xué)分支（TO）和縱向光學(xué)分支（LO）分別位于796和972 cm-1處[7]，本研究所制備的薄膜均向左發(fā)生偏移，這種現(xiàn)象叫做紅移，研究表明，紅移現(xiàn)象與3C-SiC薄膜中應(yīng)力相關(guān)[8]。隨著氫氣流量的增加，在1360、1590 cm-1處的石墨的D和G峰強(qiáng)度增高[9]，表明所制備的薄膜為3C-SiC與石墨的混合相；當(dāng)氫氣流量為2 slm時(shí)，3C-SiC薄膜的LO峰與Si基板的2TO峰有重合，這是因?yàn)楸∧け容^薄，拉曼能探測(cè)到Si基板，因此氫氣流量為0.5 slm時(shí)為最佳流量，此時(shí)的薄膜為單一3C-SiC(001)。

圖3 不同氫氣流量下制備的3C-SiC薄膜的表面形貌圖：（a）0.5 slm，（b）1 slm，（c）1.5 slm，（d）2 slm

圖3為不同氫氣流量下的3C-SiC薄膜的表面形貌圖。從圖中可以看出，隨著氫氣流量的增加，薄膜表面的晶粒減小，當(dāng)氫氣的流量為1.5 slm時(shí)，薄膜表面出現(xiàn)少量的團(tuán)聚現(xiàn)象，當(dāng)氫氣流量為2.0 slm時(shí)，薄膜的團(tuán)聚現(xiàn)象減弱。圖4為不同氫氣流量下的3C-SiC薄膜沉積速率曲線，隨著氫氣流量的升高，沉積速率逐漸降低。

圖4 不同氫氣流量下的3C-SiC薄膜沉積速率

圖5為一級(jí)孿晶含量與氫氣流量的關(guān)系，采用XRD的極圖掃描模式測(cè)試孿晶含量，可以根據(jù)j掃描圖中衍射峰的強(qiáng)度估算孿晶的含量，根據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道，將一級(jí)孿晶的含量記為z(z=15.8o/54.7o)[10]，其中15.8o為一級(jí)孿晶4個(gè)衍射峰的強(qiáng)度總和，54.7o為外延衍射峰的強(qiáng)度總和。隨著H2流量由0.5slm增加到2 slm時(shí)，一級(jí)孿晶含量急劇下降，由30.06減小到1.56。圖6為孿晶形成示意圖，Si原子在{111}面上有兩種結(jié)合方式，正常位置I與錯(cuò)誤的位置II(圖6（a）)，在錯(cuò)誤的位置II上成核的概率更大，因?yàn)樵撨^(guò)程受熱力學(xué)與表面動(dòng)力學(xué)控制，在位置II上成核系統(tǒng)的能量比在位置I上成核的能量低，因此大量的Si原子將在位置II處成核，如圖6（b）所示，此處成核導(dǎo)致了位置III處的孿晶結(jié)構(gòu)，并且該孿晶結(jié)構(gòu)會(huì)隨著薄膜的生長(zhǎng)而延伸，如圖6（c）所示。隨著H2流量的增加，HMDS的濃度減小，二次成核密度減少，因此孿晶缺陷含量降低，此外，H原子的通量大，能顯著刻蝕位置II處的成核，所以孿晶密度隨著H2流量的增加急劇下降[10]。

表2為不同氫氣流量下制備的3C-SiC薄膜的霍爾效應(yīng)測(cè)試結(jié)果，所有的薄膜均為n型導(dǎo)電。薄膜的電子遷移率與隨氫氣流量減少而上升無(wú)明。當(dāng)氫氣流量為2 slm時(shí)，薄膜的電阻率為0.00304 Ω·cm，一般文獻(xiàn)中3C-SiC薄膜的電阻率在10-2～10-1Ω·cm之間[11]，Zhuang等人認(rèn)為3C-SiC薄膜中的雜相如石墨烯會(huì)顯著降低薄膜的電阻率[12]。氫氣流量為0.5 slm時(shí)，薄膜樣品的電子遷移率可達(dá)570 cm2V-1S-1，比室溫下理論的電子遷移率（1000 cm2V-1S-1）低，高于文獻(xiàn)CVD技術(shù)報(bào)道的最大電子遷移率550 cm2V-1S-1[13]。衛(wèi)等人認(rèn)為霍爾遷移率受晶格振動(dòng)散射、電離雜質(zhì)散射、載流子散射、中性雜質(zhì)散射和谷間散射機(jī)制的影響，在室溫下主要受雜質(zhì)散射的影響[14]。在雜質(zhì)濃度一定的情況下，半導(dǎo)體的電子遷移率與薄膜的結(jié)晶質(zhì)量密切相關(guān)，薄膜的結(jié)晶質(zhì)量越高，載流子的散射效應(yīng)降低，使得霍爾遷移率提高[15]。

圖5 一級(jí)孿晶含量與H2流量的關(guān)系

圖6 孿晶形成簡(jiǎn)圖：（a）Si原子在{111}面上的錯(cuò)誤堆積，（b）Si原子在{111}面上的錯(cuò)誤堆積的延伸，（c）孿晶形成

表2 不同氫氣流量下制備的3C-SiC薄膜的霍爾效應(yīng)測(cè)試結(jié)果

3 結(jié)論

本文采用激光化學(xué)氣相沉積制備了<001>-3C-SiC薄膜，薄膜的沉積速率、孿晶含量隨氫氣流量的增加呈下降趨勢(shì)，薄膜的粗糙度隨氫氣流量的增加呈上升趨勢(shì)，當(dāng)氫氣流量為0.5 slm時(shí)，薄膜具有最大的電子遷移率590 cm2V-1S-1。

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Effect of diluting gas flow rate on epitaxial grown 3C-SiC thin film

Zhu Peipei1, Xiong Mengyang1, Tu Rong2

(1. Wuhan Institute of Marine Electic Propulsion, 2. Wuhan University of Technology，Wuhan 430064, China)

It is found that the maximum mobility of 590 cmVSoccurs at the hydrogen flow rate of 0.5 slm.

O484

A

1003-4862（2022）10-0028-04

2022-07-30

朱佩佩（1988-）女，博士，研究方向：功能材料。E-mail：523192486@qq.com