[发明专利]一种P型硅基宽禁带材料及其制作方法

说明书

本发明公开了一种P型硅基宽禁带材料及其制作方法，以解决现有P型硅半导体材料禁带宽度较小问题。其基本单元是基于Si晶胞的Si_xC_yB_z超晶胞，x+y+z＝1，其中碳原子和硼原子进行替位式掺杂。本发明在原有硅结构的基础上控制掺杂特定浓度的C原子，提高了材料的禁带宽度，同时对该硅基宽禁带材料进行P型掺杂，可以增加半导体的载流子浓度，形成的P型半导体所制作的功率器件有更优异的电学性能；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。

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P型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，以期新的P型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P型硅基宽禁带材料，其基本单元是基于Si晶胞的Si_xC_yB_z超晶胞，x+y+z＝1，0.1≤y≤0.35，z不超过0.025，y表示所述超晶胞中y·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；z表示所述超晶胞中z·100％的原Si原子被替换为B原子，B原子在整个超晶胞中均匀分布。

较佳地，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。

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。

较佳地，所述超晶胞中2.5％的原Si原子被替换为B原子。

进一步地，在1*5*1超晶胞中B原子的个数为1个，5个Si晶胞分别替位式掺杂B原子的个数为0、1、0、0、0，避免产生B-C键。

上述P型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Si_1-yC_y超晶胞结构的硅基宽禁带材料；

再对所述新硅基材料通过离子注入工艺以设定的角度注入B³⁺；

通过高温热退火工艺使注入的B³⁺进入目标晶格位置，最终形成所述Si_xC_yB_z超晶胞结构的P型硅基宽禁带材料。

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)。