第5讲：SiC的晶体缺陷

SiC晶体中存在各种缺陷，对SiC器件性能有直接的影响。研究清楚各类缺陷的构成和生长机制非常重要。本文带你了解SiC的晶体缺陷及其如何影响SiC器件特性。

在SiC晶体中存在各种缺陷，其中一些会影响器件的特性。SiC缺陷的主要类型包括微管、晶界、多型夹杂物、碳夹杂物等大型缺陷、以及堆垛层错（SF）、以及刃位错（TED）、螺旋位错（TSD）、基面位错（BPD）和这些复合体的混合位错。就密度而言，最近质量相对较好的SiC晶体中，微管是1〜10个/cm²，位错的密度约为10³～10⁴长达个/cm²。至今，与Si相比，SiC的缺陷密度仍然较大。

微管被认为是位移非常大的螺旋位错，中心存在空洞。此外，碳夹杂物是在块状晶体生长过程中嵌入的碳尘异物，是高密度位错的来源。这些对器件来说是致命的缺陷。

图1显示了通过熔融KOH对8°偏角（0001）4H-SiC衬底的表面进行蚀刻，在晶体缺陷部分形成凹坑的显微镜照片。位错线在垂直于表面的方向上延伸，反映了晶体的对称性，蚀刻后出现六角形的凹坑。另一方面，基面位错在（0001）面（与表面平行的方向），位错线朝不同方向延伸，形成的凹坑呈椭圆形。在螺旋位错中存在多个晶体偏移大小不同的位错。晶体偏移较大的螺旋位错和混合位错会在器件中产生漏电流。对于小型位错，大多数不会影响器件性能。

图1：通过熔融KOH，在SiC衬底表面形成蚀刻凹坑的照片

仔细观察基面位错的结构，可以发现它具有被两个部分位错（Shockley部分位错）包围的线性结构。关于基面位错，当双极性电流流过SiC器件时，被两个部分位错包围的区域会发生堆垛层错扩展，这是导致电阻增加等器件特性劣化的原因。

图2解释了当双极电流流过时，堆垛层错是如何扩展的。

（1）存在于SiC衬底中的基面位错也延伸到漂移层中。
（2）当双极性电流流过时，漂移层中的电子和空穴被基面位错俘获。
（3）被俘获的电子和空穴复合并释放能量。释放的能量导致部分位错移动，移动的部分形成堆垛层错，堆垛层错区域进一步俘获电子和空穴，导致部分位错的继续移动（堆垛层错区域扩展）。形成堆垛层错的区域起到高电阻区域的作用。

图2：基面位错形成堆垛层错

在高浓度n型区域，由于电子和空穴的复合寿命较短，缓冲层或衬底的空穴密度较低。因此，堆垛层错的扩展发生在漂移层中。此外，堆垛层错具有晶体学上稳定的（不移动的）边界。因此，扩展的堆垛层错区域多呈现出典型性的矩形或三角形。

通过适当设置外延生长条件，可大幅减少漂移层中的基面位错。如今的SiC外延可以通过采用适当的缓冲层，显著降低漂移层中基面位错的密度。

在对SiC进行离子注入时，会产生晶体缺陷。图3、图4展示了对SiC进行高浓度Al离子注入后再退火的横截面TEM（透射电子显微镜）图像。从图3中可以看出，注入Al的区域存在着高密度因变形而看起来黑色的缺陷。即使经过高温退火，晶体仍未完全恢复。在图4中，放大了缺陷部分，展示了高分辨率TEM图像（晶格图像）。可以观察到每4层构成一个周期（周期为1纳米）的结构，表明这是4H-SiC。图中箭头所指位置插入了一层多余的层，形成了Frank堆垛层错。关于这一部分，已知注入的元素Al等以层状方式聚集，形成堆垛层错。

图3：由于离子注入而形成晶体缺陷的TEM图像


图4：缺陷处的高分辨率图像

离子注入产生的缺陷被认为会作为载流子的复合中心。例如，在SiC的PN二极管中，会减少存储电荷并降低反向恢复电流。最近，也有尝试将离子注入产生的缺陷用作抑制SiC MOSFET体二极管特性劣化的方法。