book/SiC/Selective Doping in Silicon Carbide Power Devices.md

# Abstract

SiC 掺杂一般使用离子注入的方法，在那之后需要高温退火（超过 1500 摄氏度）来电激活，因此会对结构有影响。

# Introduction

SiC 离子注入掺杂相关的效应包括 crystal damage，amorphization and recrystallization，doping，annealing，contact formation 等。
也有非离子注入掺杂的方法，包括 alternative annealing techniques，laser activation processes in specific environments，
  high-temperature annealing of metal films based on p-type dopant species 等。

# Background on Selective Doping in SiC Power Devices

一般使用 Al 作 p 掺杂，P 和 N 作 n 掺杂。它们作为替位杂质时有电活性，其中 N 替 C 位，P 和 Al 替 Si 位。
杂质的电离能与替位的位置（六角还是立方）有关，N 和 P 的电离能较低，电离率较高（50% 到 100%），
  而 Al 的电离能较高（200 到 250 meV），电离率较低（5% 到 30%）。

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电离能与浓度有关，一个经验公式是：

$$
E_{\text{A}} = E_0 - \alpha N^{1/3}
$$

其中 $\alpha$ 的值通常是 2 到 4 $\times 10^{-5}$ meV cm。

在 Si 中，使用离子注入和离子扩散的方法都可以掺杂；但在 SiC 中，离子迁移非常困难，因此只能使用离子注入的方法。

# n-Type and p-Type Ion-Implantation Doping of SiC

TODO: 退火发生在哪一步？是外延中掺杂之后也需要退火，还是只有离子注入后才需要退火？

常温离子注入会引入过多缺陷，因此一般使用高温离子注入，使得产生的缺陷能够动态地修复。
离子注入后的退火一般也需要高温（超过 1500 摄氏度），它除了激活离子、将缺陷移动到替位、修复一些缺陷。

低温下，离子注入的浓度有极限，高的离子浓度需要高温下的离子注入。

对于 n 型掺杂，P 比 N 容易掺，有激活浓度的上限，有研究认为是因为 N 会形成 N2 相关的团簇。这导致 N 掺杂有激活的上限。
  而 p 掺杂激活的上限就高一些。

因此，一般用 P 注入来制作 n 型 MOSFET。注入时温度被限制在 500 摄氏度，以避免形成退火无法修复的延展型缺陷。

使用 C 共同注入可以增加 Al 或者 B 的激活率（增加间隙 C 使得 Al 或者 B 更容易占据 Si 位），反过来使用 Si 共同注入会减少激活率。
在 Al 注入浓度不太高的情况下，C 可以提高 Al 的激活率，但在 Al 浓度很高的情况下，C 的影响就不明显了。
然而，这些结果都还有争议，因此在实际器件的制造中，还需要进一步的研究。

从另一个角度来说，杂质激活的上限受制于深能级在辐射和退火中的形成（主要是 Al 的掺杂），从而导致可用的载流子减少。

关于退火的时间，在足够长的时间后会达到平衡，一般可以取 1600 摄氏度下 30 分钟的退火时间。

也有研究表明，对于 Al 原子，尽管退火时间延长并不会增加它占据 Si 位的概率，但会减少补偿杂质的浓度从而提高激活率。

# Surface Roughness of SiC Implanted Layers

高温会导致表面变坏。超过 1000 度的退火会导致表面 Si 解吸附，以及形成台阶聚集。
在退火时在 SiH4 气氛中或者额外加入 Si 可以缓解这个问题。

带掺杂的情况下，台阶聚集会更严重。一般认为是因为掺杂过程中产生的表面缺陷导致的台阶聚集，同时也无法通过 Si 过压来解决。
一般会通过增加一个 C 覆盖层（capping layer）来缓解。

在器件中，可以认为表面粗糙导致的是载流子散射而不是载流子陷阱。

# Effects of Selective Implantation Doping on Relevant SiC Devices Parameters

这节讲了各个位置的掺杂浓度对器件各个方面的性能的影响。

# Non-Conventional Annealing and Doping Methods

## Laser, Microwave and Plasma Annealing Technniques

使用激光退火，快速加热一个地方再快速冷却。有团队使用激光退火，获得了 P 和 Al 掺杂的无应力晶格。

此外还可以用微波退火，同样是升温非常迅速。

也可以使用热等离子注入。SiC 被预先加热，然后使用直径几毫米的等离子束加热，等离子束的能量密度可以达到几十 kW/cm^2。
用这种方法不仅可以快速升温，而且可以精确控制升温的速度。

## Laser Irradiation Doping of SiC Immersed in a Liquid Containing Dopant Species

可以将 SiC 浸泡在溶液里，然后使用激光束来掺杂。这样得到的掺杂层比较浅。

## Other p-Type Doping Methods Based on Al Melting

也可以在 SiC 上先长一层 Al，然后激光将 Al 熔化来掺杂。这样可以在特定部位掺杂（将 Al 生长到特定部位就可以）。

TODO: SiC 器件的尺寸大概是多大？