[发明专利]一种硅基宽禁带材料及其制作方法在审

专利信息
申请号: 201911386150.X 申请日: 2019-12-29
公开(公告)号: CN111041561A 公开(公告)日: 2020-04-21
发明(设计)人: 段宝兴;王雨龙;杨银堂 申请(专利权)人: 西安电子科技大学
主分类号: C30B31/22 分类号: C30B31/22;C30B29/06;H01L21/265;H01L29/167
代理公司: 西安智邦专利商标代理有限公司 61211 代理人: 胡乐
地址: 710071*** 国省代码: 陕西;61
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摘要:
搜索关键词: 一种 硅基宽禁带 材料 及其 制作方法
【说明书】:

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。

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

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