SiC的晶体缺陷
时间：2025-01-11 发布人：admin 点击数：0
在 SiC 晶体之中，存在着各式各样的缺陷，而这些缺陷对 SiC 器件的性能有着直接的影响。所以，深入探究清楚各类缺陷的构成以及生长机制，显得尤为重要。接下来，就让我们一同去了解 SiC 晶体的缺陷情况，以及它们是怎样影响 SiC 器件特性的。SiC 晶体里的缺陷类型颇为丰富，主要涵盖了像微管、晶界、多型夹杂物、碳夹杂物这类大型缺陷，同时还有堆垛层错（SF）、刃位错（TED）、螺旋位错（TSD）、基面位错（BPD）以及由这些位错形成的复合体混合位错。就密度方面来看，在近期质量相对优良的 SiC 晶体中，微管的密度大概处于 1 至 10 个 /cm² 的范围，而位错的密度则约为 10³ 至 10⁴个 /cm²。直至如今，相较于 Si 来说，SiC 晶体的缺陷密度依旧是比较大的。微管其实可以看作是位移程度非常大的螺旋位错，其中心存在着空洞。至于碳夹杂物，它是在块状晶体生长的过程中嵌入进去的碳尘异物，还是产生高密度位错的源头，对于器件而言，这些都属于极为致命的缺陷。上图呈现的是利用熔融 KOH 对 8° 偏角（0001）4H-SiC 衬底的表面进行蚀刻后，在晶体缺陷部位形成凹坑的显微镜照片。我们可以看到，位错线朝着垂直于表面的方向延伸，这恰好反映出了晶体的对称性，经过蚀刻后便出现了六角形的凹坑。而基面位错处于（0001）面（也就是与表面平行的方向），其位错线朝着不同方向延伸，由此形成的凹坑呈现出椭圆形的形态。在螺旋位错中，存在着多个晶体偏移大小各异的位错。那些晶体偏移较大的螺旋位错以及混合位错，会使得器件中产生漏电流，不过对于小型位错而言，多数情况下并不会对器件性能造成影响。仔细剖析基面位错的结构，能够发现它呈现出一种被两个部分位错（即 Shockley 部分位错）所包围的线性结构。当双极性电流流经 SiC 器件时，在基面位错被两个部分位错包围的区域，会出现堆垛层错扩展的现象，这便是致使电阻增大等器件特性出现劣化的原因所在。上图对双极电流流过时堆垛层错的扩展过程做出了解释：首先，存在于 SiC 衬底中的基面位错会延伸到漂移层之中。其次，当双极性电流流过的时候，漂移层中的电子和空穴会被基面位错所俘获。然后，被俘获的电子和空穴会发生复合，并释放出能量。释放出的能量会促使部分位错移动，移动的部分进而形成堆垛层错，而堆垛层错区域又会进一步俘获电子和空穴，最终导致部分位错持续移动（也就是堆垛层错区域不断扩展）。形成堆垛层错的区域实际上起到了高电阻区域的作用。在高浓度 n 型区域，由于电子和空穴的复合寿命比较短，缓冲层或者衬底的空穴密度相对较低，所以堆垛层错的扩展往往发生在漂移层当中。并且，堆垛层错有着晶体学上稳定（也就是不会移动）的边界，因此，扩展后的堆垛层错区域大多呈现出典型的矩形或者三角形的形态。通过合理设置外延生长的条件，能够在很大程度上减少漂移层中的基面位错。当下，SiC 外延技术借助采用适当的缓冲层，已经可以显著降低漂移层中基面位错的密度了。在对 SiC 进行离子注入操作时，同样会产生晶体缺陷。图 3 和图 4 展示了对 SiC 进行高浓度 Al 离子注入后再经过退火处理的横截面 TEM（透射电子显微镜）图像。从图 3 中能够看出，在注入 Al 的区域存在着因变形而看上去呈现黑色的高密度缺陷，即便经过了高温退火处理，晶体也没能完全恢复到原有状态。在图 4 中，对缺陷部分进行了放大，展示出了高分辨率 TEM 图像（也就是晶格图像），从中可以观察到每 4 层构成一个周期（周期为 1 纳米）的结构，这表明此处为 4H-SiC。图中箭头所指的位置插入了一层多余的层，进而形成了 Frank 堆垛层错。就这一部分而言，已知注入的元素（比如 Al 等）会以层状的方式聚集在一起，最终形成堆垛层错。
离子注入所产生的缺陷被认为能够充当载流子的复合中心。例如，在 SiC 的 PN 二极管中，这种缺陷会使存储电荷减少，并且降低反向恢复电流。近来，也有相关尝试，试图将离子注入产生的缺陷作为抑制 SiC MOSFET 体二极管特性劣化的一种方法。
