SiC晶體中存在各種缺陷，對SiC器件性能有直接的影響。研究清楚各類缺陷的構成和生長機制非常重要。本文帶你了解SiC的晶體缺陷及其如何影響SiC器件特性。

在SiC晶體中存在各種缺陷，其中一些會影響器件的特性。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（SF）、以及刃位錯（TED）、螺旋位錯（TSD）、基面位錯（BPD）和這些復合體的混合位錯。就密度而言，最近質量相對較好的SiC晶體中，微管是1?10個/cm2，位錯的密度約為103～10?長達個/cm2。至今，與Si相比，SiC的缺陷密度仍然較大。

微管被認為是位移非常大的螺旋位錯，中心存在空洞。此外，碳夾雜物是在塊狀晶體生長過程中嵌入的碳塵異物，是高密度位錯的來源。這些對器件來說是致命的缺陷。

圖1顯示了通過熔融KOH對8°偏角（0001）4H-SiC襯底的表面進行蝕刻，在晶體缺陷部分形成凹坑的顯微鏡照片。位錯線在垂直于表面的方向上延伸，反映了晶體的對稱性，蝕刻后出現六角形的凹坑。另一方面，基面位錯在（0001）面（與表面平行的方向），位錯線朝不同方向延伸，形成的凹坑呈橢圓形。在螺旋位錯中存在多個晶體偏移大小不同的位錯。晶體偏移較大的螺旋位錯和混合位錯會在器件中產生漏電流。對于小型位錯，大多數不會影響器件性能。

圖1：通過熔融KOH，在SiC襯底表面形成蝕刻凹坑的照片

仔細觀察基面位錯的結構，可以發現它具有被兩個部分位錯（Shockley部分位錯）包圍的線性結構。關于基面位錯，當雙極性電流流過SiC器件時，被兩個部分位錯包圍的區域會發生堆垛層錯擴展，這是導致電阻增加等器件特性劣化的原因。

圖2解釋了當雙極電流流過時，堆垛層錯是如何擴展的。

（1）存在于SiC襯底中的基面位錯也延伸到漂移層中。

（2）當雙極性電流流過時，漂移層中的電子和空穴被基面位錯俘獲。

（3）被俘獲的電子和空穴復合并釋放能量。釋放的能量導致部分位錯移動，移動的部分形成堆垛層錯，堆垛層錯區域進一步俘獲電子和空穴，導致部分位錯的繼續移動（堆垛層錯區域擴展）。形成堆垛層錯的區域起到高電阻區域的作用。

圖2：基面位錯形成堆垛層錯

在高濃度n型區域，由于電子和空穴的復合壽命較短，緩沖層或襯底的空穴密度較低。因此，堆垛層錯的擴展發生在漂移層中。此外，堆垛層錯具有晶體學上穩定的（不移動的）邊界。因此，擴展的堆垛層錯區域多呈現出典型性的矩形或三角形。

通過適當設置外延生長條件，可大幅減少漂移層中的基面位錯。如今的SiC外延可以通過采用適當的緩沖層，顯著降低漂移層中基面位錯的密度。

在對SiC進行離子注入時，會產生晶體缺陷。圖3、圖4展示了對SiC進行高濃度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的區域存在著高密度因變形而看起來黑色的缺陷。即使經過高溫退火，晶體仍未完全恢復。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層構成一個周期（周期為1納米）的結構，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。關于這一部分，已知注入的元素Al等以層狀方式聚集，形成堆垛層錯。

圖3：由于離子注入而形成晶體缺陷的TEM圖像

圖4：缺陷處的高分辨率圖像

離子注入產生的缺陷被認為會作為載流子的復合中心。例如，在SiC的PN二極管中，會減少存儲電荷并降低反向恢復電流。最近，也有嘗試將離子注入產生的缺陷用作抑制SiC MOSFET體二極管特性劣化的方法。

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<關于三菱電機>

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