在当今科技飞速发展的时代，半导体材料的研究与应用成为了众多领域突破的关键。其中，4H 碳化硅（4H-SiC）单晶以其宽禁带、高载流子迁移率、高热导率和高稳定性等优异物理特性，在高功率电力电子、射频/微波电子以及量子信息等前沿领域展现出了令人瞩目的应用前景，犹如一颗闪耀的科技新星。
然而，这颗新星在闪耀的同时，也面临着一些“乌云”的遮蔽。4H-SiC 单晶中的位错密度颇高，达到了 10³~10⁴ cm⁻²，这一问题如同枷锁一般，严重限制了其性能的充分发挥，也使得 4H-SiC 难以完全释放其潜在的巨大能量。因此，深入探究 4H-SiC 单晶中位错的产生、转变和湮灭机理，以及精准把握位错对材料性质的影响，成为了科研人员亟待攻克的重要课题，对于提升 4H-SiC 单晶质量、推动其在各领域的广泛应用具有举足轻重的意义。
一、4H-SiC 单晶中位错的复杂世界
（1）多样的位错类型
4H-SiC 单晶中的位错可谓种类繁多，主要分为贯穿型位错（TDs）和基平面位错（BPDs）。TDs 家族包括微管（MPs）、贯穿螺型位错（TSDs）、贯穿混合位错（TMDs）和贯穿刃型位错（TEDs），它们各自有着独特的伯氏矢量，像是拥有不同“身份标识”的微观居民。BPDs 也不示弱，分为集成 BPDs 和分解 BPDs，同样具有特定的伯氏矢量。这些不同类型的位错在 4H-SiC 单晶中相互交织，构成了一个复杂而微妙的微观世界。
（2）不同的位错密度分布
在 4H-SiC 单晶衬底中，各类位错的密度呈现出明显的差异。MPs 的密度相对较低，小于 0.1 cm⁻²，而 TSDs、TMDs、TEDs 和 BPDs 的密度则相对较高，分别处于 300 ~ 500 cm⁻²、300 ~ 500 cm⁻²、2000 ~ 5000 cm⁻²和 500 ~ 1000 cm⁻²的范围。这种不均衡的位错密度分布，也进一步增加了研究和调控位错的难度与复杂性。
二、4H-SiC 单晶生长：位错的诞生与演变
在 4H-SiC 单晶的生长过程中，位错的产生与多种因素紧密相连。温度梯度引发的热应力、第二相、二维形核岛、孔洞或夹杂物所产生的应力，都成为了位错滋生的“温床”。其中，籽晶中的 TDs 具有很强的“遗传性”，倾向于沿着单晶的生长方向延续下去，而 BPDs 的产生则主要归咎于热应力的作用。
不仅如此，这些位错在生长过程中还会发生奇妙的转变。MPs 和 TSDs 之间能够相互转化，TSDs 还可以摇身一变成为 Frank-type SFs，TEDs 和 BPDs 也会相互转变身份。甚至，TSDs 在单晶生长的舞台上相互作用，上演着湮灭的精彩戏码，就如同微观世界中的一场场奇妙的“变形记”和“消失秀”。
三、4H-SiC 衬底晶圆加工：位错与形变的博弈
当 4H-SiC 晶锭进入加工环节，要经历线切割、研磨和化学机械抛光等一系列机械加工步骤，这无疑是一场位错与形变的激烈博弈。在这个过程中，4H-SiC 的形变过程宛如一场精心编排的五步曲：弹性变形、塑性变形、微裂纹产生、裂纹扩展和脆性去除。
同时，掺杂杂质也来“搅局”，其浓度可高达 10¹⁸ cm⁻³以上，它们通过影响 BPDs 的形核动力学过程，进而对 4H-SiC 的形变机制和机械性能产生重要影响，使得这场博弈变得更加扑朔迷离，也为加工过程中的位错调控增添了更多的挑战与变数。
四、4H-SiC 同质外延：位错的延续与影响
在 4H-SiC 的同质外延过程中，衬底中的位错继续发挥着它们的“影响力”。超过 95%的 TSD 会执着地延伸进入外延层中，而大部分 BPD 在初始阶段会转变成 TED，但仍有部分 BPD 顽强地在外延层中延续自己的“轨迹”。
这些位错的存在，就像隐藏在器件内部的“小恶魔”，对器件性能造成诸多不利影响。它们会引起电子 - 空穴复合，如同在电路中制造混乱，导致器件可靠性大打折扣，严重阻碍了 4H-SiC 在高性能器件领域的应用拓展。
五、位错对 4H-SiC 性质的深远影响
（1）熔融碱腐蚀下的位错显露
熔融碱腐蚀成为了我们窥探 4H-SiC 中位错奥秘的一扇窗户，是显露位错和统计位错密度的简便方法之一。通过腐蚀坑的形状和大小，我们能够洞察到位错引起的晶格畸变，仿佛看到了位错在晶体内部留下的“足迹”，为进一步研究位错提供了重要的线索和依据。
（2）电学性能的“位错干扰”
在电学领域，位错扮演着“捣乱分子”的角色。它们在 4H-SiC 中表现为受主态或施主态，严重影响着器件的电学性能。TSD 的位错线如同“漏电通道”，增强了漏电效应，而 BPD 则像一个“电子陷阱”，成为复合中心，对器件的正向性能和反向性能都产生了负面作用，使得 4H-SiC 器件难以达到理想的电学性能指标。
（3）光学性质的“位错之光”
尽管位错给 4H-SiC 带来了诸多困扰，但在光学领域却也展现出了独特的一面。位错作为辐射复合中心，会产生光致发光现象，如同在黑暗中闪烁的微弱星光。而且，通过巧妙地调整发射光波长，我们还能够实现单一不全位错和层错的显示，这为 4H-SiC 在光学检测和研究方面提供了新的思路和方法。
