为了优化4H-SiC器件性能，尤其是垂直导电型功率MOSFET的导通电阻和阻断特性，对n型掺杂剂的活化行为进行系统研究至关重要。目前，氮和磷是4H-SiC中常用的n型掺杂元素，其活化率、电离能及温度依赖性直接影响器件的电学性能。根据相关文献，本文比较了氮与磷在4H-SiC中的掺杂活化行为南宁配资公司，并探讨了高浓度掺杂与离子注入对材料电学性能的影响。
1. 4H-SiC中氮与磷的掺杂活化对比
Das等人通过霍尔测量和四点探针法系统比较了4H-SiC中氮和磷在不同掺杂浓度下的电学特性。研究发现，在所有测试温度下，磷掺杂样品的电阻率均高于氮掺杂样品，且随着温度升高，两者电阻率均下降，表明存在不完全电离现象。
图1 （a）氮与磷电阻率、（b）载流子浓度随温度变化
进一步分析表明，氮的活化率约为90%，而磷仅为约60%，见图2（b）。此外，通过双能级电荷中性模型提取的电离能显示，氮在六方位和立方位的电离能均低于磷，说明氮在4H-SiC中具有更高的电学活性。该研究还指出，载流子迁移率在低温下受杂质散射主导，在300 K附近达到峰值，高温下则受声子散射影响而下降，见图2（a）。
展开剩余80%图2（a）霍尔迁移率随温度变化；（b）活化掺杂浓度与注入浓度关系
2. SiC晶片高浓度磷掺杂的活化与分布特性
Spera等人研究了高浓度磷注入（约1×10²⁰ cm⁻³）后的活化行为。霍尔测量显示，电子浓度在300–500K范围内几乎不随温度变化，表明材料已进入简并态，无法使用传统中性方程拟合活化率。
图3 a）薄层电阻、b）电子密度随温度变化
通过扫描电容显微镜与霍尔结果联合校准，研究者们提取了活性磷的深度分布，发现其与SIMS化学分布在表层和尾部基本一致，但在70–160nm深度范围内出现一个平台区，活性浓度约为8.5–9×10¹⁹ cm⁻³（图4）。该平台区的存在被归因于注入诱导缺陷导致的不完全活化。
图4 SCM活性磷分布与SIMS对比
此外，该团队还研究了Ni₂Si欧姆接触的电流传输机制，发现其符合热电子发射模型，拟合得到的界面处掺杂浓度为8.5×10¹⁹cm⁻³，与扫描电容显微镜（SCM）结果高度一致。
图5 比接触电阻随温度变化及TFE拟合
3. 离子注入对碳化硅晶体质量与掺杂活化的影响
Gelineau等学者研究了氢离子注入对4H-SiC晶体质量与掺杂活化的影响。拉曼光谱和RBS分析表明，H⁺注入会引入晶格损伤，并在低温退火（<600°C）下逐渐恢复。
图6拉曼谱与RBS损伤恢复
XRD reciprocal space mapping显示，1300°C退火后，转移层的晶格参数与体材料一致，表明晶体质量完全恢复。然而，电学测量表明，即使在1300°C退火后，转移层仍为绝缘状态，说明掺杂剂尚未激活。
图7 不同温度退火后，（0004）4H-SiC Bragg峰的XRD-RSM图
进一步研究发现，掺杂剂的再活化发生在1400°C至1700°C之间，与氮注入的激活温度范围一致。拉曼LOPC模式分析表明，1700°C退火后，转移层恢复了原有的掺杂浓度与电导率。
图8 注入和转移4H-SiC的电激活：（a）从室温到1900°C的LOPC模式位置；（b）1200°C至1900°C之间的相应活性浓度
这些系统性的研究为4H-SiC功率器件的掺杂工艺窗口选择、TCAD仿真模型的校准以及低阻欧姆接触的设计提供了至关重要的实验依据与理论支撑。厦门中芯晶研作为专业的半导体材料供应商，提供包括氮掺杂4H-SiC晶片，并持续关注掺杂工艺的基础研究，以确保材料性能满足**器件需求。
参考文献：
[1] Das S, Lichtenwalner D J, Dixit H, et al. Dopant Activation Comparison in Phosphorus and Nitrogen Implanted 4H-Silicon Carbide[J]. Solid State Phenomena, 2024, 359: 35-39.
[2] Spera M, Greco G, Severino A, et al. Active dopant profiling and Ohmic contacts behavior in degenerate n-type implanted silicon carbide[J]. Applied Physics Letters, 2020, 117(1).
[3] Gelineau G, Widiez J, Rolland E南宁配资公司, et al. Evaluation of Crystal Quality and Dopant Activation of Smart CutTM-Transferred 4H-SiC Thin Film[C]//Materials Science Forum. Trans Tech Publications Ltd, 2023, 1089: 71-79.
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