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CN111041561A - 一种硅基宽禁带材料及其制作方法 - Google Patents

一种硅基宽禁带材料及其制作方法 Download PDF

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CN111041561A
CN111041561A CN201911386150.XA CN201911386150A CN111041561A CN 111041561 A CN111041561 A CN 111041561A CN 201911386150 A CN201911386150 A CN 201911386150A CN 111041561 A CN111041561 A CN 111041561A
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CN
China
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silicon
super
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cell
ion implantation
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CN201911386150.XA
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Inventor
段宝兴
王雨龙
杨银堂
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Xidian University
Original Assignee
Xidian University
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Publication date
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C30—CRYSTAL GROWTH
    • C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
    • C30B31/00—Diffusion or doping processes for single crystals or homogeneous polycrystalline material with defined structure; Apparatus therefor
    • C30B31/20—Doping by irradiation with electromagnetic waves or by particle radiation
    • C30B31/22—Doping by irradiation with electromagnetic waves or by particle radiation by ion-implantation
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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    • H10D62/80—Semiconductor bodies, or regions thereof, of devices having potential barriers characterised by the materials
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Abstract

本发明提出了一种硅基宽禁带材料及其制作方法，以解决第一代半导体材料禁带宽度窄、应用范围较小的问题。本发明在硅晶胞的基础上掺杂碳原子进行新材料的设计，保证新材料与硅结构的一致性，控制掺杂浓度以调节禁带宽度，其中，大小为1*5*1的Si0.7C0.3超晶胞结构的禁带宽度最大。本发明可适用于传统硅工艺及装置，基于此新材料所制造的功率器件具有耐高温耐高压的优点。

Description

一种硅基宽禁带材料及其制作方法
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：
一种硅基宽禁带材料，其基本单元是基于Si晶胞的Si1-xCx超晶胞，x表示所述超晶胞中x·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；0.1≤x≤0.35。
较佳地，上述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。
上述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-xCx超晶胞结构的材料。
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。
本发明技术方案的有益效果如下：
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，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C原子来调节。
附图说明
图1是本发明的一个实施例的结构示意图。其中，大原子为硅，小原子为碳。
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：
(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。
若禁带宽度未达到要求，可重复步骤(2)-(5)，通过掺入不同浓度的碳原子来调节禁带宽度。
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。
Si0.7C0.3结构如图1所示，大原子为硅，小原子为碳。超晶胞的晶格常数分别为5.4305、27.1535和5.4305。此时的掺杂浓度为30％。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。
具体制作工艺如下：
首先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。
然后，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-xCx(X＝0.1,0.15,0.20,0.25,0.30,0.35,0.40)的能带结构，发现X＝0时的禁带宽度为0.664eV，X＝0.1时的禁带宽度为0.767eV，X＝0.15时的禁带宽度为0.822eV，X＝0.2时的禁带宽度为0.879eV，X＝0.25时的禁带宽度为0.938eV，X＝0.3时的禁带宽度为0.998eV，X＝0.35时的禁带宽度为0.912eV，X＝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。

Claims (7)

1.一种硅基宽禁带材料，其特征在于：其基本单元是基于Si晶胞的Si1-xCx超晶胞，x表示所述超晶胞中x·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；0.1≤x≤0.35。
2.根据权利要求1所述的硅基宽禁带材料，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.权利要求1所述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-xCx超晶胞结构的材料。
6.根据权利要求5所述的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。
7.根据权利要求5所述的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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