表面及界面硫钝化在Si/SiC异质结功率器件中的应用

Passivation is one of the key techniques to eliminate the surface states and interface states which will improve the quality of semiconductor devices, during semiconductor devices manufacture processing. SiC power devices play a very important role in the field of high frequency, high temperature and high power applications. Passivation technique research for silicon carbide devices has a significant impact on incremental improving the device properties. This proposal seeks to develop a new sulfur passivation technique for the surface and interface of Si/SiC heterojunction power devices to improve its electronic and optical qualities. The idea is based on the Valence-Mending concept. According to the presented S passivation techniques, this project will include the following interlinked components. (1) Analyzing the concentration of passivation solutions, the passivation time and solution temperature；analyzing the gas flow rate of H2S, the substrate temperature and the passivation time to get the optimum passivation parameters. (2) Discussing the thermal stability of S passivation. (3) Exploring the effect of S passivation on surface states and interface states by comparison the states density before and after passivation.. (4) Exploring the effects of S passivation on electronic and optical qualities. (5) Analyzing the mechanism of sulfur passivation for SiC surface and interface by first principles calculating. Explaining the thermal stability of S passivation on Si face and C face of SiC. (6) Calculating the energy band gap structure and the density of surface states.

半导体器件制造过程中，钝化技术能有效减少表面态和界面态，是改善器件性能的关键技术之一。SiC器件在高频，高温，大功率等领域有非常重要的应用，因此针对此类器件的钝化技术研究对于提高SiC功率器件的性能意义重大。本申请项目基于Valence-Mending概念，提出对Si/SiC异质结功率器件表面以及界面进行硫钝化，最终达到改善器件光学和电学特性的目的。项目以现有半导体S钝化技术为基础，针对Si/SiC异质结功率器件研究S钝化技术的最佳工艺参数，包括溶液浓度，温度和钝化时间；H2S气体流量，衬底温度和钝化时间。研究S钝化后的热稳定性问题。通过对钝化前后界面态和表面态密度的分析，研究S钝化对界面态和表面态密度的影响。探索S钝化对器件电学和光学特性的影响。研究还包括通过第一性原理计算分析S钝化SiC表面和界面的机理，从理论上解释SiC的Si面和C面钝化稳定性问题，计算钝化对表面态和禁带结构的影响。

为了减少半导体表面和界面态对器件电学以及光学特性的影响，项目从实验和理论计算两个方面研究了Si和SiC单晶衬底的S钝化技术，以及S钝化对肖特基接触和异质结光电特性的影响，得到了一种成本低廉、方法简单的S钝化技术。在Si单晶表面S钝化工艺的基础上，借助XPS以及肖特基结构I-V特性分析得到SiC的Si面最佳的钝化工艺参数：钝化温度60℃、钝化时间30min、NH4OH浓度2.4 mol/L、(NH4)2S浓度0.22 mol/L，及C面最佳的钝化工艺参数：钝化温度60℃、钝化时间25min、NH4OH浓度3.6mol/L、(NH4)2S浓度0.33mol/L。从肖特基结构的I-V特性上可以看出Si面S钝化效果优于C面。并验证了β-FeSi2/4H-SiC异质结界面经过S钝化后，其暗电流能减小一个数量级。以上实验结果间接表明S钝化能够有效地减少表面态，界面态对器件的影响，这一结论今后可以在容易受到表面态和界面态影响的器件中继续应用。理论计算表明：SiC硅端面的表面能、表面态密度均低于碳端面，这表明钝化后的硅端面稳定性更高。在不同的初始吸附位中，桥位吸附相对于顶位吸附在硅端面的能量更低，而碳端面则相反。表面最佳硫原子覆盖率参数在4/9ML-3/4ML之间。若采用H2S作为钝化源，计算发现H2S在SiC的Si面倾向于吸附桥位，并且在Si面完全分解成一个S原子和两个H原子，分解后的原子用于饱和悬挂键以降低态密度，当覆盖率为2/9ML时，Si面钝化效果最佳；而在C面H2S只能分解成一个H和一个HS片段，主要吸附在顶位，吸附后也能够饱和悬挂键降低态密度。当覆盖率为4/9ML时，C面钝化效果最佳。这一结论为今后H2S钝化提供了而理论指导依据。实验还发现S钝化后的Si衬底少子寿命随着光照时间的增加少子寿命指数上升；光照停止后少子寿命指数下降。