Dislocatie in SiC-kristallen

SiC-substraat kan microscopische defecten vertonen, zoals Threading Screw Dislocation (TSD), Threading Edge Dislocation (TED), Base Plane Dislocation (BPD) en andere. Deze defecten worden veroorzaakt door afwijkingen in de rangschikking van atomen op atomair niveau.

SiC-kristallen groeien doorgaans op een manier die zich evenwijdig aan de c-as of onder een kleine hoek daarmee uitstrekt, wat betekent dat het c-vlak ook wel het basisvlak wordt genoemd. Er zijn twee hoofdtypen dislocaties in het kristal. Wanneer de dislocatielijn loodrecht op het basisvlak staat, erft het kristal dislocaties van het kiemkristal naar het epitaxiaal gegroeide kristal. Deze dislocaties staan ​​bekend als penetrerende dislocaties en kunnen worden onderverdeeld in threading edge dislocaties (TED) en threading screw dislocaties (TSD), gebaseerd op de oriëntatie van de Bernoulli-vector ten opzichte van de dislocatielijn. Dislocaties, waarbij zowel de dislocatielijnen als de Brönsted-vectoren zich in het basisvlak bevinden, worden basisvlakdislocaties (BPD) genoemd. SiC-kristallen kunnen ook samengestelde dislocaties hebben, die een combinatie zijn van de bovengenoemde dislocaties.

1. TED&TSD

Zowel threaded dislocaties (TSD's) als threaded edge dislocaties (TED's) lopen langs de [0001] groei-as met verschillende Burgers-vectoren van respectievelijk <0001> en 1/3<11-20>.

Zowel TSD's als TED's kunnen zich uitstrekken van het substraat tot het waferoppervlak en kleine putachtige oppervlaktekenmerken produceren. Typisch is de dichtheid van TED's ongeveer 8.000-10.000 1/cm2, wat bijna 10 keer zo groot is als die van TSD's.

Tijdens het epitaxiale groeiproces van SiC strekt TSD zich uit van het substraat naar de epitaxiale laag van de verlengde TSD en kan transformeren in andere defecten op het substraatvlak en zich voortplanten langs de groeias.

Er is aangetoond dat TSD tijdens epitaxiale groei van SiC wordt getransformeerd in stapellaagfouten (SF) of worteldefecten op het substraatvlak, terwijl wordt aangetoond dat TED in de epitaxiale laag wordt getransformeerd van BPD die is geërfd van het substraat tijdens epitaxiale groei.

2. borderline-stoornis

Basale vlakdislocaties (BPD's), die zich in het [0001] vlak van SiC-kristallen bevinden, hebben een Burgers-vector van 1/3 <11-20>.

BPD's verschijnen zelden op het oppervlak van SiC-wafels. Deze zijn gewoonlijk geconcentreerd op het substraat met een dichtheid van 1500 1/cm2, terwijl hun dichtheid in de epitaxiale laag slechts ongeveer 10 1/cm2 bedraagt.

Het is duidelijk dat de dichtheid van BPD's afneemt met toenemende dikte van het SiC-substraat. Bij onderzoek met behulp van fotoluminescentie (PL) vertonen de BPD's lineaire kenmerken. Tijdens het epitaxiale groeiproces van SiC kan de verlengde BPD worden omgezet in SF of TED.

Uit het bovenstaande is het duidelijk dat er defecten aanwezig zijn in de SiC-substraatwafel. Deze defecten kunnen worden geërfd door de epitaxiale groei van dunne films, wat fatale schade aan het SiC-apparaat kan veroorzaken. Dit kan leiden tot het verlies van de voordelen van SiC, zoals een hoog doorslagveld, hoge sperspanning en lage lekstroom. Bovendien kan dit de kwalificatiegraad van het product verlagen en enorme obstakels vormen voor de industrialisatie van SiC vanwege de verminderde betrouwbaarheid.