第5講：SiC的晶體缺陷

在SiC晶體中存在各種缺陷，其中一些會(huì)影響器件的特性。SiC缺陷的主要類型包括微管、晶界、多型夾雜物、碳夾雜物等大型缺陷、以及堆垛層錯(cuò)（SF）、以及刃位錯(cuò)（TED）、螺旋位錯(cuò)（TSD）、基面位錯(cuò)（BPD）和這些復(fù)合體的混合位錯(cuò)。就密度而言，最近質(zhì)量相對(duì)較好的SiC晶體中，微管是1?10個(gè)/cm2，位錯(cuò)的密度約為103～10?長(zhǎng)達(dá)個(gè)/cm2。至今，與Si相比，SiC的缺陷密度仍然較大。

微管被認(rèn)為是位移非常大的螺旋位錯(cuò)，中心存在空洞。此外，碳夾雜物是在塊狀晶體生長(zhǎng)過(guò)程中嵌入的碳?jí)m異物，是高密度位錯(cuò)的來(lái)源。這些對(duì)器件來(lái)說(shuō)是致命的缺陷。

圖1顯示了通過(guò)熔融KOH對(duì)8°偏角（0001）4H-SiC襯底的表面進(jìn)行蝕刻，在晶體缺陷部分形成凹坑的顯微鏡照片。位錯(cuò)線在垂直于表面的方向上延伸，反映了晶體的對(duì)稱性，蝕刻后出現(xiàn)六角形的凹坑。另一方面，基面位錯(cuò)在（0001）面（與表面平行的方向），位錯(cuò)線朝不同方向延伸，形成的凹坑呈橢圓形。在螺旋位錯(cuò)中存在多個(gè)晶體偏移大小不同的位錯(cuò)。晶體偏移較大的螺旋位錯(cuò)和混合位錯(cuò)會(huì)在器件中產(chǎn)生漏電流。對(duì)于小型位錯(cuò)，大多數(shù)不會(huì)影響器件性能。

圖1：通過(guò)熔融KOH，在SiC襯底表面形成蝕刻凹坑的照片

仔細(xì)觀察基面位錯(cuò)的結(jié)構(gòu)，可以發(fā)現(xiàn)它具有被兩個(gè)部分位錯(cuò)（Shockley部分位錯(cuò)）包圍的線性結(jié)構(gòu)。關(guān)于基面位錯(cuò)，當(dāng)雙極性電流流過(guò)SiC器件時(shí)，被兩個(gè)部分位錯(cuò)包圍的區(qū)域會(huì)發(fā)生堆垛層錯(cuò)擴(kuò)展，這是導(dǎo)致電阻增加等器件特性劣化的原因。

圖2解釋了當(dāng)雙極電流流過(guò)時(shí)，堆垛層錯(cuò)是如何擴(kuò)展的。

（1）存在于SiC襯底中的基面位錯(cuò)也延伸到漂移層中。

（2）當(dāng)雙極性電流流過(guò)時(shí)，漂移層中的電子和空穴被基面位錯(cuò)俘獲。

（3）被俘獲的電子和空穴復(fù)合并釋放能量。釋放的能量導(dǎo)致部分位錯(cuò)移動(dòng)，移動(dòng)的部分形成堆垛層錯(cuò)，堆垛層錯(cuò)區(qū)域進(jìn)一步俘獲電子和空穴，導(dǎo)致部分位錯(cuò)的繼續(xù)移動(dòng)（堆垛層錯(cuò)區(qū)域擴(kuò)展）。形成堆垛層錯(cuò)的區(qū)域起到高電阻區(qū)域的作用。

圖2：基面位錯(cuò)形成堆垛層錯(cuò)

在高濃度n型區(qū)域，由于電子和空穴的復(fù)合壽命較短，緩沖層或襯底的空穴密度較低。因此，堆垛層錯(cuò)的擴(kuò)展發(fā)生在漂移層中。此外，堆垛層錯(cuò)具有晶體學(xué)上穩(wěn)定的（不移動(dòng)的）邊界。因此，擴(kuò)展的堆垛層錯(cuò)區(qū)域多呈現(xiàn)出典型性的矩形或三角形。

通過(guò)適當(dāng)設(shè)置外延生長(zhǎng)條件，可大幅減少漂移層中的基面位錯(cuò)。如今的SiC外延可以通過(guò)采用適當(dāng)?shù)木彌_層，顯著降低漂移層中基面位錯(cuò)的密度。

在對(duì)SiC進(jìn)行離子注入時(shí)，會(huì)產(chǎn)生晶體缺陷。圖3、圖4展示了對(duì)SiC進(jìn)行高濃度Al離子注入后再退火的橫截面TEM（透射電子顯微鏡）圖像。從圖3中可以看出，注入Al的區(qū)域存在著高密度因變形而看起來(lái)黑色的缺陷。即使經(jīng)過(guò)高溫退火，晶體仍未完全恢復(fù)。在圖4中，放大了缺陷部分，展示了高分辨率TEM圖像（晶格圖像）。可以觀察到每4層構(gòu)成一個(gè)周期（周期為1納米）的結(jié)構(gòu)，表明這是4H-SiC。圖中箭頭所指位置插入了一層多余的層，形成了Frank堆垛層錯(cuò)。關(guān)于這一部分，已知注入的元素Al等以層狀方式聚集，形成堆垛層錯(cuò)。

圖4：缺陷處的高分辨率圖像

離子注入產(chǎn)生的缺陷被認(rèn)為會(huì)作為載流子的復(fù)合中心。例如，在SiC的PN二極管中，會(huì)減少存儲(chǔ)電荷并降低反向恢復(fù)電流。最近，也有嘗試將離子注入產(chǎn)生的缺陷用作抑制SiC MOSFET體二極管特性劣化的方法。

文章來(lái)源：三菱電機(jī)半導(dǎo)體