通过在原子台阶表面上选择合适的单体，实现对4H-SiC外延层中铝掺杂剂浓度的控制

《Information & Functional Materials》：Concentration control of aluminum dopant in 4H-SiC epitaxy by monomers selection on atomic step surfaces

4H-SiC外延生长中铝掺杂浓度与材料质量协同优化研究。通过第一性原理计算揭示化学势（C/Si比率）调控铝原子吸附行为，发现C富集条件（C/Si=2.4）使铝吸附能降低1.38 eV，但导致晶格缺陷密度增加。实验采用四组C/Si比率（0.7-2.4）的6英寸CVD外延生长，发现Al掺杂浓度与表面粗糙度呈负相关。优化后实现1.0×10^19 cm^-3高掺杂浓度，晶格质量保持<10^5 cm^-2位错密度。该成果为功率器件制造提供了新的工艺窗口。

　　本文探讨了4H-SiC（碳化硅的一种多型结构）的P型掺杂在不同化学势条件下的行为，以及如何通过优化生长工艺来实现高质量、大尺寸的重掺杂层。作为关键的功率电子器件材料，4H-SiC因其优异的热导率、高击穿电场和宽禁带特性，被广泛应用于高温、高频和高功率器件制造中。然而，P型掺杂技术相较于N型仍存在一些技术挑战，特别是在实现高浓度（如≥1×101? cm?3）的同时保持晶体质量，这在大尺寸（如6英寸）的生长过程中尤为关键。

研究中首先从理论层面分析了铝（Al）掺杂剂在不同化学势条件下的吸附行为。通过第一性原理计算，研究人员发现，当生长环境偏向碳富集（即C/Si比值较高）时，Al原子更容易在4H-SiC的原子台阶表面进行吸附，这为提高P型掺杂效率提供了理论依据。然而，碳富集也可能会对台阶高度产生不利影响，进而影响晶体质量。因此，研究团队在实验中探索了不同C/Si比值对掺杂浓度和材料质量的综合影响，最终找到了一个合适的平衡点。

实验部分采用化学气相沉积（CVD）技术，在6英寸的4H-SiC衬底上进行P型外延生长。通过调整碳源（如甲烷或碳氢化合物）的流量，研究人员设计了四种不同的C/Si比值（0.7至2.4），并测试了这些条件下的生长结果。实验数据显示，随着C/Si比值的增加，Al的掺杂浓度显著上升，但在高C/Si比值下，台阶高度的变化可能会导致表面粗糙度增加，从而影响晶体质量。特别是当C/Si比值达到2.4时，表面粗糙度明显上升，这表明过高的碳富集可能对晶体结构的稳定性造成负面影响。

为了进一步优化生长条件，研究团队在理论模拟的基础上，将C/Si比值调整至2.0，并提高Al掺杂源（如三甲基铝，TMA）的流量至500 sccm。这种优化不仅提高了Al的掺杂浓度，还有效控制了材料质量的下降。最终，实验成功实现了1.0×101? cm?3的Al掺杂浓度，同时保持了较高的晶体质量。通过X射线衍射（XRD）分析，优化后的样品显示出更低的晶格缺陷密度，而表面粗糙度也低于原始实验中的高C/Si比值样品。此外，通过霍尔效应测量，优化样品的载流子浓度达到了8.37×101? cm?3，这表明Al的掺杂效率得到了显著提升，且对晶体性能的负面影响得到了控制。

研究还揭示了不同化学势条件对4H-SiC生长模式的影响。在碳富集条件下，Al原子更倾向于在台阶的“拐角位点”（kink sites）进行吸附，这有助于维持台阶流生长模式（step-flow mode），从而促进均匀的晶体生长。然而，过高的C/Si比值可能会导致台阶高度的异常变化，进而影响表面平整度和整体质量。因此，选择合适的化学势平衡是实现高质量、重掺杂外延生长的关键。

实验结果显示，虽然C/Si比值的增加有助于提高Al的掺杂浓度，但也会导致表面缺陷的增加，尤其是在高浓度区域。例如，随着C/Si比值的提高，样品中的“下坠”（downfall）等缺陷数量显著上升，这可能影响器件的良率。此外，实验还发现，当C/Si比值为2.4时，尽管Al的掺杂浓度较高，但其表面粗糙度和缺陷密度均显著增加，这表明该条件下的生长过程并不理想。因此，研究人员在优化过程中采用了中等C/Si比值（2.0），以在提高掺杂效率的同时，避免材料质量的过度下降。

此外，研究团队还通过二次离子质谱（SIMS）和拉曼光谱等技术，对不同C/Si比值样品的掺杂浓度和晶体质量进行了全面分析。这些技术不仅能够准确测量Al的掺杂浓度，还能识别晶体的多型结构和表面缺陷。实验数据表明，当C/Si比值从0.7提升至2.4时，Al的掺杂浓度呈上升趋势，但与此同时，表面粗糙度和缺陷密度也呈现上升趋势。这一现象揭示了在提高掺杂效率的过程中，必须权衡材料质量的保持问题。

综上所述，本文通过理论模拟和实验验证，系统地研究了4H-SiC外延生长过程中不同化学势条件对Al掺杂行为的影响，并提出了一个优化的生长方案，使得在6英寸衬底上能够实现1.0×101? cm?3的Al掺杂浓度，同时保持良好的晶体质量。这一成果为实现高效率、高可靠性的功率器件制造提供了重要的技术支持，也为未来8英寸或更厚外延层的生长奠定了基础。研究不仅加深了对4H-SiC生长机制的理解，也为实际生产中的工艺优化提供了理论依据和实验数据支持。