Aluminum doping of epitaxial silicon carbide

这篇文章做 CVD 实验验证了各种情况下 Al 的掺杂情况，以及用 CFD 模拟估计了气态的分子组分。考虑的晶型包括 4H 和 6H，包括 Si 面和 C 面。考虑的因素包括C/Si 比、生长速率、压力、温度。

它的结论包括：

降低载气压力可以略微提高生长速度，并可以提高外延质量，但它对 Al 掺杂浓度的影响有时会增加有时会减小。
不同极性面上 Al 掺杂浓度不同，Si 面的 Al 掺杂浓度更高，且对各种参数更敏感（这里的 Si 面定义可能与我们不同）。
C/Si 比增加会提高 Al 掺杂浓度。
温度增加会降低 Al 掺杂浓度，或者保持不变。
非常高的 Al 掺杂浓度（10^20）会导致 Al 沉积物。

Introduction

不同目的的 SiC 需要不同的外延结果。例如：

功率器件需要较厚（～50 μm）且掺杂浓度较低的 drift layer，因此可以使用较高的生长速率来制作。
微波器件需要较慢的生长速率，以使得不同层之间的掺杂浓度变化更锐利。
大多数器件需要一个高掺的 cap layer 以形成欧姆接触（按照 p 型来计算，至少需要 10^18 cm^-3）。

Experimental procedure

载气使用钯扩散氢（Palladium diffused hydrogen），原理是使氢气透过钯膜再进入反应室，目的是获得高纯度的氢气。衬底使用 SiC 涂覆的石墨，使用商业上的 4H 和 6H SiC 衬底，有斜切。

使用 SIMS 测掺杂浓度。最低可以测出 10^14 的浓度。

Aluminum incorporation model

它们认为 Al 原子在 Si 面会形成 3 个 Al-C 键，但在 C 面只会有一个，并据此估计 Al 在 Si 面吸附能低，但我认为它们可能理解错了 Si 面与 C 面的模型。

Thermodynamic calculations

使用 CFD-ACE+ 模拟了反应。因为前驱体的浓度非常小，所以一般可以认为是理想气体。

考虑了两组反应，一组反应中允许固体生成，另一组中不允许。使用的反应条件（气压等）与我们的相差很大。

作者说各个组分的分压满足 Arrhenius 公式，但是我没有看到为什么满足。

作者认为，C2H2 是主要提供 C 的气体分子。因为尽管 CH4 的浓度也很大，但它太稳定，不容易分解。

Results

TMA flow rate dependence

TMA 输入速率增加，Al 掺杂浓度增加。Si 面掺杂浓度是 C 面的 10 倍。

Growth rate dependence

同时增加 Si 和 C 的供应，掺杂浓度增加，直到达到某个速率后饱和。 Si 面的情况被解释为：表面的 C 增加，供 Al 吸附的位置增加，导致 Al 掺杂浓度增加。他们还认为，Al 的表面扩散与 Si 和 C 互相不影响。在较低的生长速率下，Al 在表面富集了很多，只是在较高的生长速率下才能扩散到台阶附近。

C/Si ratio dependence

C 面不受到影响。保持生长速率不变的情况下，C/Si 比增加（1.5-5.0），Si 面的掺杂浓度增加。

Pressure dependence

一般来说，载气压力减小（1000-50 mbar）、其它气体压力不变，掺杂均匀性在低压下会更好，且会长得快一些（3.6-5.6 μm/h）。

在 3.6 μm/h 的生长速率下，随着载气压力降低，Al 掺杂浓度先增加后减小，在 300 mbar 时达到最大值。这可以从两方面来解释：一个是 Al 的分压减小（为什么？），使得 Al 掺杂减小；一个是 C/Si 比变化，使得 Al 掺杂增加。气压继续减小时，Al 掺杂略微减小，因为含 Si 分子的脱附增加。在 5.6 μm/h 的生长速率下，Al 掺杂随着载气压力的减小而减小。作者认为，在这种情况下，Al 的扩散速率受到从气态到表面的吸附速率的限制。

Temperature dependence

C面时，几乎不受到影响；Si面时，Al 掺杂浓度随着温度的升高而降低（1500-1550°C），然后几乎不变（1550-1600°C）。

Discussion

非常高的 Al 掺杂 (10^20 cm^-3) 可能会导致 Al 沉积物。

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