4H-SiC外延晶圆中扩展层错复合缺陷起源的结构分析

最新推荐文章于 2025-03-27 21:22:47 发布

m0_61687959

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文章标签：材料工程

本文链接：https://blog.youkuaiyun.com/m0_61687959/article/details/143591807

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研究背景

4H-SiC（碳化硅）因其高电场击穿强度、高温操作性以及高热导率，被认为是下一代电力半导体材料的重要候选。随着碳化硅在电力电子产品中的应用越来越广泛，晶体缺陷（特别是层错）对器件可靠性的影响变得日益突出。SFC作为一种由外延生长过程中扩展的缺陷，已知会对SiC金属氧化物半导体场效应晶体管的可靠性产生负面影响。

试验方案

为分析SFC的起源，研究采用了透射电子显微镜（TEM）和高分辨扫描透射电子显微镜（STEM）技术，以高空间分辨率观察和分析4H-SiC外延晶圆中的缺陷结构。样品制备包括使用离子束聚焦设备（FIB）制作了包含层错扩展起始位置的横截面样品。表面形态和缺陷的形貌使用了差分干涉对比（DIC）和光致发光（PL）技术进行初步检测，随后通过STEM进行详细结构分析。

研究内容

研究重点在于通过高分辨率的TEM和STEM图像观察SFC的形成机理。主要发现包括：

层错扩展机制：螺位错（Threading Screw Dislocation, TSD）在外延层和基底之间的界面附近转换为四个Frank型部分位错（PDs），其中三个PDs合并并形成棱柱状层错（Prismatic Stacking Fault, PSF）和基面层错（Basal Plane Stacking Fault, BSF）。
位错结构分析：STEM图像显示了层错的堆垛序列及位错的核心结构，进一步通过Burgers矢量分析确认了位错的性质。
SFC的起源：TSD的转换过程为SFC的形成提供了物理机制，研究通过详细的结构分析阐明了从基底中的TSD扩展到外延层中的SFC的物理过程。

图文解析

图1：SFC表面形态的初步检测

(a) PL图像：显示了SFC缺陷的光致发光（PL）特性，其中暗色区域代表层错。该PL图像显示了三角形的层错形态。
(b) DIC图像：展示了层错表面的形态，尤其是在SFC的边缘，观察到明显的表面粗糙度。表面粗糙度与SFC扩展到表面的区域相关。
(c) SEM图像：显示了样品的扫描电子显微镜图像，用于标记将在接下来的STEM分析中观察的截面位置。这些图像帮助确定了SFC扩展的具体位置。

图2：SFC的横截面观察

(a) BF-STEM图像：显示了SFC在横截面中的明场扫描透射电子显微镜（BF-STEM）图像，层错的线状对比度清晰可见。
(b) HAADF-STEM图像：该高角环形暗场（HAADF）图像展示了4H-SiC结构与层错区域的界面，亮点对应硅原子的位置。该图展示了堆垛序列的变化。
(c) 结构示意图：图中展示了4H结构（左侧）到层错结构（右侧）的堆垛序列变化，从A、B、A'、C'顺序变为A、B、A'、C'、B'，表明层错是Frank型的。
(d) Burgers矢量分析：通过FS/RH方法计算了Burgers矢量，确定了部分位错的位错矢量为-1/4[0001]。

图3：SFC的第二个横截面观察

(a) BF-STEM图像：显示了第二个横截面中层错的明场图像，显示了基面层错（BSF）和棱柱状层错（PSF）的连接位置。
(b) HAADF-STEM图像：展示了层错边缘的详细结构，PSF和BSF的堆垛顺序显示了在不同区域原子层数的变化，进一步揭示了PSF的形成机制。

图4：SFC扩展起源的平面观察

(a) 平面TEM图像：展示了SFC扩展的起始区域，该图包含外延层和基底的界面。位于上游的螺位错（TSD）标记为TD1。
(b) 和 (c) 放大图像：图中显示了螺位错转换为四个Frank型部分位错（PD1-PD4）的过程，三个PDs合并后形成棱柱状层错和TD2，最终导致SFC的形成。

图5：位错对比分析

该系列图像通过不同的g矢量条件下的BF-TEM图像，分析了位错的可见性：

(a) - (f)：这些图像展示了PD1至PD5位错在不同g矢量条件下的对比度变化。通过这种分析确定了PD1至PD5的Burgers矢量方向，证明这些位错是纯Frank型的。

图6：螺位错（TSD）起源的横截面观察

(a) 平面TEM图像：标记了下一步进行横截面观察的位置。
(b) BF-TEM图像：显示了从螺位错到部分位错的转换过程。
(c) 和 (d) DF-TEM图像：在不同的衍射条件下观察了螺位错，确认了TD1是螺旋型的螺位错（TSD），并在界面处转换为部分位错。

图7：层错堆垛序列的高分辨STEM观察

(a) 平面TEM图像：标记了高分辨观察的位置。
(b) - (e) HAADF-STEM图像：展示了PD1至PD4的详细堆垛序列变化。每个部分位错处的堆垛层逐层减少，最终形成一个完整的层错结构。
(f) 结构示意图：图示中展示了从4H结构到层错的变化，PD1至PD4的堆垛序列总位移为1c，这与TSD的Burgers矢量相符。

图8：层错堆垛序列的示意图

该图展示了通过对PD1到PD4的高分辨扫描透射电子显微镜（HAADF-STEM）图像分析得出的层错堆垛序列变化。

堆垛序列的变化：从PD1到PD4，每经过一个部分位错，堆垛序列减少一层。具体而言，每个部分位错都会导致一个原子层的减少。
- PD1导致第十层原子平面减少。
- PD2导致第九层原子平面减少。
- PD3和PD4分别进一步减少了相应的原子层数。
整体位移：从图中可以看出，总的堆垛层位移为1c，这是一个完整的晶格矢量。这表明位错的累积总位移与原始的螺位错（TSD）的Burgers矢量相符，即TSD最终转化为这些部分位错。
结构示意图的意义：该示意图直观地展示了从螺位错（TSD）开始，经过一系列部分位错的堆垛序列变化过程，最终导致扩展层错复合缺陷（SFC）的形成。此图说明了TSD如何通过部分位错的逐层堆垛变化，形成复杂的层错结构。

图9：PSF形成的横截面观察

(a) 平面TEM图像：标记了PSF形成的横截面位置。
(b) 和 (c) BF-TEM图像：展示了部分位错PD5转变为台阶位错（SR）和TD2的过程。图像显示了在转换位置的复杂缺陷结构。
(d) 和 (e) DF-TEM图像：在不同g矢量条件下观察了台阶位错的对比度变化，进一步证明了PD5是纯Frank型位错，而TD2是螺混合位错（TMD）。