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SiCGe/SiC异质结光控达林顿晶体管设计及SiCGe/SiC异质结的制备

作　者: 蒲红斌
导　师: 陈治明
学　校: 西安理工大学
专　业: 微电子学与固体电子学
关键词: SiCGe/SiC光控器件 达林顿晶体管 热壁CVD 异质外延 异质结 二极管
分类号: TN32
类　型: 博士论文
年　份: 2006年
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内容摘要


随着SiC器件广泛而深入的研究，光控碳化硅器件也渐渐地引起人们的研究兴趣。由于禁带宽，SiC光开关只能受控于紫外光源而非常用的可见和红外光源。从实际应用出发，利用SiCGe能隙可在窄于碳化硅能隙的范围内适当剪裁的特点，根据在SiC达林顿晶体管中采用SiCGe／SiC异质结实现单片集成光控达林顿功率开关的设计构想，围绕该新型光控器件的开发，本论文主要从器件结构的设计、SiCGe／SiC异质结的实现及其特性等方面进行了初步的研究。主要结果如下： 1．利用二维数值模拟器MEDICI，在首先完成了对新型器件设计构想的可行性验证之后，从器件制造的可行性出发，提出了几种改进的器件结构，改SiCGe／SiC异质结达林顿晶体管设计为SiCGe／SiC异质结光电二极管与SiC达林顿晶体管单片集成，大大简化了器件制造工艺。 2．完成了对改进型SiC光控器件结构参数的优化设计和器件特性的模拟仿真，证明了这种SiC光控器件具有明显的光控开关特性，并可通过合金组分的调控实现常用近红外光源的有效控制。 3．成功地研制出分别用于在SiC衬底上生长SiCGe和p-SiCGe薄膜的两套水平式热壁CVD生长系统。为了提高外延薄膜的均匀性，设计过程中，采用有限元分析法，通过对电磁感应、热传导和质量输运等多种场的计算，确定了反应室中复杂的温度分布和气流分布，创新地完成了对系统加热组件的优化设计。 4．进行了在SiC衬底上异质外延SiCGe和p-SiCGe薄膜的工艺探索。采用硅烷（SiH4）、丙烷（C3H8）、锗烷（GeH4）、乙硼烷（B2H6）以及载气H2为源气，生长了SiCGe多晶薄膜并实现了p型掺杂。SiCGe薄膜不是SiC和SiGe的简单混合，而是一种具有多相结构特征的三元合金。实验中发现了一种与SiCGe新材料有关的合金相，其2θ=29.6±0.2°的衍射峰在标准ASTM卡片中尚未收录。其生长模式属于两相共存的2D层状+3D岛状混合的S-K生长模式。SiCGe薄膜对可见和近红外光具有较强的吸收，吸收边随组分调整而变化。

全文目录


摘要  3-4
Abstract  4-9
1 绪论  9-25
  1.1 SiC功率开关器件  9-13
    1.1.1 SiC的电学特性的优势  9-10
    1.1.2 SiC双极晶体管研究现状  10-12
    31.1.3 SiC达林顿晶体管研发现状  12-13
  1.2 SiGeC三元合金及其SiGeC/Si异质结光电器件  13-20
    1.2.1 硅上异质外延SiGeC  13-18
    1.2.2 SiCGe/Si异质结及其光电二极管应用  18-20
  1.3 SiCGe/SiC异质结器件  20-22
    1.3.1 SiC上异质外延 SiCGe  20-21
    1.3.2 SiCGe/ SiC异质结光控功率开关器件研究现状  21-22
  1.4 本论文的研究内容和安排  22-25
2 SiCGe/SiC异质结光控达林顿晶体管的设计  25-52
  2.1 SiC光控达林顿异质结晶体管的提出  25-35
    2.1.1 单管结构 SiC光控晶体管开关  25-26
    2.1.2 达林顿结构 SiC光控晶体管开关  26
    2.1.3 SiCGe/SiC异质结光控达林顿晶体管的提出  26-27
    2.1.4 SiCGe/SiC异质结光控达林顿晶体管的可行性分析  27-33
    2.1.5 SiCGe/SiC异质结光控达林顿晶体管结构的改进  33-35
  2.2 SiCGe/SiC光电二极管结构的优化设计  35-41
    2.2.1 SiCGe/SiC光电二极管的量子效率和响应度分析  35-38
    2.2.2 SiCGe/SiC异质结光敏二极管的结构  38-40
    2.2.3 SiCGe/SiC异质结光敏二极管的特性模拟  40-41
  2.3 SiC达林顿晶体管设计中的考虑  41-44
    2.3.1 功率输出单元的设计  41-43
    2.3.2 达林顿晶体管的版图  43
    2.3.3 达林顿晶体管纵向结构参数  43-44
  2.4 改进 I型外延台面4H-SiC光控达林顿晶体管的设计  44-47
    2.4.1 器件结构及材料参数选取  44-45
    2.4.2 器件特性模拟结果分析  45-47
  2.5 改进II型离子注入6H-SiC光控达林顿晶体管的设计  47-51
    2.5.1 器件结构及材料参数选取  47-48
    2.5.2 器件特性模拟结果分析  48-51
  2.6 小结  51-52
3 SiCGe薄膜生长系统  52-72
  3.1 热壁 CVD生长系统的组成与特点  52-54
    3.1.1 热壁 CVD技术  52-53
    3.1.2 热壁 CVD生长系统的基本组成  53-54
  3.2 热壁 CVD设备的研制  54-60
    3.2.1 系统的总体设计  54-56
    3.2.2 供气系统  56-57
    3.2.3 反应室  57-59
    3.2.4 保温层设计考虑  59-60
  3.3 加热组件热场的数值分析与设计  60-66
    3.3.1 有限元模型建立  60-61
    3.3.2 计算结果及分析  61-66
  3.4 流场的数值分析与设计  66-71
    3.4.1 生长温度对薄膜生长的影响  67-68
    3.4.2 气体流速对薄膜生长的影响  68-69
    3.4.3 改进型加热组件的设计与分析  69-71
  3.5 小结  71-72
4 SiCGe薄膜的异质外延生长  72-88
  4.1 SiCGe薄膜的生长机理与模式  72-77
    4.1.1 SiCGe薄膜生长的基本物化过程  72-74
    4.1.2 异质外延生长的基本模式  74-75
    4.1.3 SiCGe薄膜生长工艺流程  75-77
  4.2 SiC衬底的晶格结构  77-80
  4.3 SiCGe薄膜晶格常数的设计  80-84
    4.3.1 SiCGe/6H-SiC型异质结构晶格常数的设计  82-83
    4.3.2 SiCGe/3C-SiC/6H-SiC缓冲层型异质结构晶格常数的设计  83-84
  4.4 SiCGe/SiC异质结的设计考虑  84-86
    4.4.1 晶格失配对外延 SiCGe材料品质的影响  84-86
    4.4.2 高 Ge组分 SiCGe/SiC异质结的设计考虑  86
  4.5 P型 SiCGe薄膜的外延生长  86-87
  4.6 小结  87-88
5 SiCGe薄膜特性的表征以及工艺参数对薄膜品质的影响  88-116
  5.1 锗硅碳薄膜材料元素及化学状态表征  88-94
    5.1.1 X射线光电子能谱分析  88-90
    5.1.2 SiCGe薄膜中的化学组成及键合态  90-92
    5.1.3 生长工艺对 SiCGe外延膜组分的影响  92-94
  5.2 SiCGe薄膜结构分析与表征  94-98
    5.2.1 X射线衍射技术  94-95
    5.2.2 晶体衍射分析法  95-96
    5.2.3 SiCGe异质外延层的 XRD衍射谱分析  96-98
  5.3 SiCGe薄膜材料表面形貌分析与表征  98-105
    5.3.1 形貌分析  98
    5.3.2 SiCGe外延层表面和断面形貌的 SEM分析  98-105
  5.4 SiCGe薄膜材料光学性能表征  105-112
    5.4.1 椭圆偏振法测定 SiCGe薄膜的厚度和折射率  105-108
    5.4.2 透射谱法测定 SiCGe晶体薄膜的吸收曲线和光能隙  108-112
  5.5 P型 SiCGe薄膜电学特性测试与分析  112-114
    5.5.1 导电类型  112-113
    5.5.2 电阻率  113-114
  5.6 小结  114-116
6 问题与展望  116-120
  6.1 主要工作总结  116-118
  6.2 主要创新点  118-119
  6.3 对今后工作的设想和建议  119-120
致谢  120-121
参考文献  121-129
作者在攻读博士学位期间的研究成果和参加的科研项目  129-131
附录: SiCGe热壁 CVD系统  131

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中图分类: > 工业技术 > 无线电电子学、电信技术 > 半导体技术 > 半导体三极管（晶体管）
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