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 PDFInfo
- Publication number
- 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
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- silicon
- super
- atoms
- cell
- ion implantation
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 239000000463 material Substances 0.000 title claims abstract description 43
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 30
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 24
- 239000010703 silicon Substances 0.000 title claims abstract description 23
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 title claims abstract description 8
- 125000004432 carbon atom Chemical group C* 0.000 claims abstract description 17
- 238000000034 method Methods 0.000 claims abstract description 10
- 125000004429 atom Chemical group 0.000 claims description 13
- 238000005468 ion implantation Methods 0.000 claims description 11
- 238000000137 annealing Methods 0.000 claims description 4
- 229910021421 monocrystalline silicon Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 229910006992 Si1-xCx Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 238000004886 process control Methods 0.000 claims description 2
- 238000005070 sampling Methods 0.000 claims description 2
- 230000002401 inhibitory effect Effects 0.000 claims 4
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 abstract description 10
- 239000002210 silicon-based material Substances 0.000 description 8
- HBMJWWWQQXIZIP-UHFFFAOYSA-N silicon carbide Chemical compound [Si+]#[C-] HBMJWWWQQXIZIP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 3
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 description 3
- 229910010271 silicon carbide Inorganic materials 0.000 description 3
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical group [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000002835 absorbance Methods 0.000 description 2
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 2
- 230000007704 transition Effects 0.000 description 2
- 238000002441 X-ray diffraction Methods 0.000 description 1
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 150000001721 carbon Chemical group 0.000 description 1
- 230000015556 catabolic process Effects 0.000 description 1
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 1
- 238000012938 design process Methods 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 description 1
- 230000005684 electric field Effects 0.000 description 1
- 238000002513 implantation Methods 0.000 description 1
- 238000010348 incorporation Methods 0.000 description 1
- 238000004377 microelectronic Methods 0.000 description 1
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 1
- 238000001259 photo etching Methods 0.000 description 1
- 238000004611 spectroscopical analysis Methods 0.000 description 1
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 description 1
- 238000000870 ultraviolet spectroscopy Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- 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
- 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
- C30B29/00—Single crystals or homogeneous polycrystalline material with defined structure characterised by the material or by their shape
- C30B29/02—Elements
- C30B29/06—Silicon
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
- H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
- H01L21/04—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof the devices having potential barriers, e.g. a PN junction, depletion layer or carrier concentration layer
- H01L21/18—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof the devices having potential barriers, e.g. a PN junction, depletion layer or carrier concentration layer the devices having semiconductor bodies comprising elements of Group IV of the Periodic Table or AIIIBV compounds with or without impurities, e.g. doping materials
- H01L21/26—Bombardment with radiation
- H01L21/263—Bombardment with radiation with high-energy radiation
- H01L21/265—Bombardment with radiation with high-energy radiation producing ion implantation
- H01L21/26506—Bombardment with radiation with high-energy radiation producing ion implantation in group IV semiconductors
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L29/00—Semiconductor devices specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching and having potential barriers; Capacitors or resistors having potential barriers, e.g. a PN-junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof ; Multistep manufacturing processes therefor
- H01L29/02—Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor
- H01L29/12—Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by the materials of which they are formed
- H01L29/16—Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by the materials of which they are formed including, apart from doping materials or other impurities, only elements of Group IV of the Periodic Table
- H01L29/167—Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by the materials of which they are formed including, apart from doping materials or other impurities, only elements of Group IV of the Periodic Table further characterised by the doping material
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Metallurgy (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Computer Hardware Design (AREA)
- High Energy & Nuclear Physics (AREA)
- Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
- Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Ceramic Engineering (AREA)
- Electromagnetism (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Toxicology (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Crystals, And After-Treatments Of Crystals (AREA)
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
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。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201911386150.XA CN111041561A (zh) | 2019-12-29 | 2019-12-29 | 一种硅基宽禁带材料及其制作方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201911386150.XA CN111041561A (zh) | 2019-12-29 | 2019-12-29 | 一种硅基宽禁带材料及其制作方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN111041561A true CN111041561A (zh) | 2020-04-21 |
Family
ID=70241179
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201911386150.XA Pending CN111041561A (zh) | 2019-12-29 | 2019-12-29 | 一种硅基宽禁带材料及其制作方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN111041561A (zh) |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN101160420A (zh) * | 2005-04-08 | 2008-04-09 | 株式会社Sumco | 硅单晶的制造方法和硅晶片 |
| CN102034906A (zh) * | 2009-09-24 | 2011-04-27 | 上海凯世通半导体有限公司 | 采用离子注入在单晶硅衬底上形成碳化硅薄层的方法 |
| CN102737963A (zh) * | 2012-07-20 | 2012-10-17 | 中国科学院上海微系统与信息技术研究所 | 一种利用离子注入及定点吸附工艺制备半导体材料的方法 |
| CN110046445A (zh) * | 2019-04-25 | 2019-07-23 | 仰恩大学 | 一种预测高压下Sr、Ba、La、Er掺杂c-ZrO2的光电特性方法 |
-
2019
- 2019-12-29 CN CN201911386150.XA patent/CN111041561A/zh active Pending
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN101160420A (zh) * | 2005-04-08 | 2008-04-09 | 株式会社Sumco | 硅单晶的制造方法和硅晶片 |
| CN102034906A (zh) * | 2009-09-24 | 2011-04-27 | 上海凯世通半导体有限公司 | 采用离子注入在单晶硅衬底上形成碳化硅薄层的方法 |
| CN102737963A (zh) * | 2012-07-20 | 2012-10-17 | 中国科学院上海微系统与信息技术研究所 | 一种利用离子注入及定点吸附工艺制备半导体材料的方法 |
| CN110046445A (zh) * | 2019-04-25 | 2019-07-23 | 仰恩大学 | 一种预测高压下Sr、Ba、La、Er掺杂c-ZrO2的光电特性方法 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN102610500B (zh) | N型重掺杂碳化硅薄膜外延制备方法 | |
| CN102592976B (zh) | P型重掺杂碳化硅薄膜外延制备方法 | |
| CN1351680A (zh) | 钒不占主导的半绝缘碳化硅 | |
| KR20130041733A (ko) | P형 실리콘 단결정 및 그 제조 방법 | |
| KR101876579B1 (ko) | 전력용 반도체 소자 및 그 소자의 제조 방법 | |
| WO2019101008A1 (zh) | 一种在碳化硅基片上快速生长氧化层的方法 | |
| CN103422164A (zh) | 一种N型4H-SiC同质外延掺杂控制方法 | |
| CN114093765B (zh) | 一种提高碳化硅薄膜少子寿命的方法 | |
| Härkönen et al. | Magnetic Czochralski silicon as detector material | |
| US6703294B1 (en) | Method for producing a region doped with boron in a SiC-layer | |
| WO2022061484A1 (zh) | 一种调控宽禁带半导体材料缺陷及掺杂特性的方法及应用 | |
| CN111041561A (zh) | 一种硅基宽禁带材料及其制作方法 | |
| CN111293040A (zh) | 一种n型掺杂离子注入准确度的提升方法 | |
| CN111020705A (zh) | 一种p型硅基宽禁带材料及其制作方法 | |
| CN110993682A (zh) | 一种n型硅基宽禁带材料及其制作方法 | |
| CN104131335A (zh) | 一种控制掺杂源流量n型重掺杂碳化硅薄膜外延制备方法 | |
| CN104131265A (zh) | 一种控制掺杂源流量n型低掺杂碳化硅薄膜外延制备方法 | |
| CN108735607A (zh) | 基于微波等离子体氧化的凹槽mosfet器件的制造方法 | |
| CN106469646B (zh) | 一种碳化硅器件用离子注入来形成高掺杂的制造方法 | |
| JP6442817B2 (ja) | エピタキシャルウェーハの製造方法およびエピタキシャルウェーハ | |
| JP5322044B2 (ja) | 絶縁層埋め込み型半導体炭化珪素基板及びその製造方法 | |
| CN115142123B (zh) | 一种掺锗改善碳化硅单晶衬底面型参数的方法 | |
| CN104233465A (zh) | 一种控制生长压强n型重掺杂碳化硅薄膜外延制备方法 | |
| JP5979625B2 (ja) | 半導体基板の製造方法 | |
| CN118087036A (zh) | 一种氧化镓p-n同质结材料及其制备和应用 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20200421 |