SiC-SiO2界面形成機(jī)理及界面缺陷的第一性原理研究.pdf

1、寬帶隙半導(dǎo)體碳化硅(SiC)具有高熱導(dǎo)率、高電子飽和漂移速度以及大的臨界擊穿場(chǎng)強(qiáng)，使得其有望成為大功率電力電子器件的首選材料?；赟iC半導(dǎo)體的高功率電力電子器件比Si器件的品質(zhì)因數(shù)優(yōu)越1000倍，使用這種新型器件的電力系統(tǒng)可以達(dá)到節(jié)能降耗70％。作為功率器件，SiC MOS器件是關(guān)注的熱點(diǎn)，高品質(zhì)絕緣膜是SiC MOS器件工作的基礎(chǔ)，低的界面態(tài)密度是其性能保障。然而，傳統(tǒng)熱氧化SiC MOS結(jié)構(gòu)的界面態(tài)密度過高，降低了SiC MOS器

2、件的性能。因此，探索SiC/SiO2界面缺陷的形成機(jī)理，明確界面態(tài)的起源和消減技術(shù)具有重要的科學(xué)和工程實(shí)用價(jià)值。
　　本論文發(fā)展了一種能夠描述SiC表面在真實(shí)氧化環(huán)境下氧化行為的第一性原理熱力學(xué)方法，以此研究SiC/SiO2界面形成過程中SiC的熱氧化相圖;結(jié)合變角X射線光電子能譜(ARXPS)測(cè)試和緊束縛密度泛函方法分析了SiC/SiO2界面的組成和可能缺陷構(gòu)型;采用混合密度泛函理論方法計(jì)算獲得各種可能缺陷構(gòu)型在SiC帶隙中的準(zhǔn)

3、確能級(jí)位置，確立了這些缺陷對(duì)近界面態(tài)的貢獻(xiàn);探索了磷原子對(duì)近界面態(tài)缺陷的鈍化效果及鈍化機(jī)理。論文主要內(nèi)容及結(jié)論如下:
　　(1) SiC/SiO2界面生長(zhǎng)過程中界面缺陷的形成機(jī)理研究:采用密度泛函理論結(jié)合熱力學(xué)方法，繪制出SiC表面熱氧化相圖，分析了SiC/SiO2界面形成過程中SiC熱氧化行為。計(jì)算結(jié)果表明，當(dāng)氧原子覆蓋度增加到3/4單原子層(monolayer，ML)時(shí)，首個(gè)氧原子插入SiC次表面，隨著氧原子數(shù)的繼續(xù)增加，包含

4、有碳二聚物的2 ML構(gòu)型被發(fā)現(xiàn)是熱力學(xué)穩(wěn)定相，提供了一種形成界面碳團(tuán)簇的微觀機(jī)理。熱力學(xué)氧化相圖還建議SiC熱氧化生長(zhǎng)SiO2膜的合理溫度是1400 K。對(duì)于臺(tái)階SiC表面的熱氧化，隨著氧原子的濃度在臺(tái)階處聚集，臺(tái)階處的碳原子會(huì)以CO氣體形式離開臺(tái)階表面，其反應(yīng)勢(shì)壘為0.48eV。CO氣體離開SiC表面后，一維的-Si-O-鏈狀結(jié)構(gòu)將沿著臺(tái)階邊生長(zhǎng)，促進(jìn)臺(tái)階進(jìn)一步氧化，這使得臺(tái)階與平臺(tái)的氧化速率不一致。根據(jù)改進(jìn)的Deal-Grove模型

5、，臺(tái)階處的氧化速率是平臺(tái)的近1000倍，導(dǎo)致生長(zhǎng)的氧化膜厚度不均勻，降低SiC MOS器件的電學(xué)性能。這些結(jié)果進(jìn)一步加深人們對(duì)SiC/SiO2界面缺陷形成機(jī)理的認(rèn)識(shí)，為有針對(duì)性地抑制界面缺陷形成提供了理論指導(dǎo)。
　　(2) SiC/SiO2界面組成和可能缺陷構(gòu)型研究:結(jié)合ARXPS測(cè)試分析和緊束縛密度泛函理論方法研究了熱氧化SiC/SiO2界面的結(jié)構(gòu)和可能缺陷構(gòu)型。XPS測(cè)試結(jié)果表明，熱氧化形成的SiC/SiO2界面包含一個(gè)不完全

6、氧化物(SiCxOy)的界面過渡層，并且各種SiCxOy成分具有不同的深度分布。為了從原子尺度更清楚地認(rèn)識(shí)SiC/SiO2界面結(jié)構(gòu)，采用緊束縛密度泛函理論方法搭建了一個(gè)非突變的界面結(jié)構(gòu)模型。在這個(gè)界面結(jié)構(gòu)中，各種可能的缺陷構(gòu)型（如懸掛鍵、碳團(tuán)簇、硅團(tuán)簇、SiCxOy等）被觀測(cè)到。對(duì)比模擬SiC/SiO2界面過渡層結(jié)構(gòu)信息與ARXPS分析結(jié)果，發(fā)現(xiàn)兩者界面處各種SiCxOy成分的相對(duì)強(qiáng)度基本一致，從理論上證實(shí)了界面過渡層的合理性。這個(gè)研究

7、在SiC/SiO2界面的理論計(jì)算與實(shí)驗(yàn)測(cè)試之間建立了一座橋梁，為界面缺陷構(gòu)型和界面態(tài)的鈍化奠定基礎(chǔ)。
　　(3) SiC/SiO2界面缺陷能級(jí)位置的理論研究:采用第一性原理方法搭建了一個(gè)突變的SiC/SiO2界面結(jié)構(gòu)模型，計(jì)算獲得該界面的導(dǎo)帶和價(jià)帶臺(tái)階分別為2.76 eV和2.84 eV，與實(shí)驗(yàn)測(cè)量值一致，表明這個(gè)界面結(jié)構(gòu)具有良好的電子結(jié)構(gòu)性質(zhì)，適合于SiC/SiO2界面缺陷能級(jí)的研究?；诖四Ｐ腕w系，SiC中C=C雙原子對(duì)，Si

8、O2部分中單個(gè)碳原子結(jié)構(gòu)、C=C雙原子對(duì)、間隙硅原子以及間隙氫原子，界面附近氮原子取代硅原子等缺陷結(jié)構(gòu)的能級(jí)位置被計(jì)算與分析。結(jié)果表明，SiO2中間隙硅原子以及界面附近碳二聚物的缺陷能級(jí)位于導(dǎo)帶下方0.2 eV，0.1 eV以及0.23 eV，表明SiO2中間隙硅原子以及界面附近碳二聚物可以引入4H-SiC導(dǎo)帶附近的界面態(tài)。這些結(jié)果揭示了SiC/SiO2近界面態(tài)密度的起源，建立了界面缺陷構(gòu)型和界面態(tài)密度的對(duì)應(yīng)關(guān)系，為有針對(duì)性地鈍化界面缺

9、陷提供了理論依據(jù)。
　　(4) SiC/SiO2界面缺陷的磷原子鈍化機(jī)理研究:采用第一性原理方法探索了磷原子對(duì)SiC表面懸掛鍵及SiC/SiO2界面缺陷的鈍化效果，分析了磷原子鈍化的微觀機(jī)理。計(jì)算結(jié)果表明，1/3 ML磷原子覆蓋的4H-SiC(0001)表面是熱力學(xué)穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，并且1/3 ML磷原子能夠有效地鈍化SiC表面硅懸掛鍵。對(duì)于碳二聚物缺陷，磷原子取代C=C構(gòu)型中一個(gè)碳原子的結(jié)構(gòu)在能量上最為穩(wěn)定。電子結(jié)構(gòu)分析發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過磷原子