中科院物理所：8英寸碳化硅单晶扩径区域的微管缺陷研究

碳化硅（SiC）功率器件在各个领域具有巨大的应用潜力，包括电动汽车、光伏发电、轨道交通、智能电网、5G通信等。然而，这些器件的广泛应用受到其高成本的阻碍。因此，降低SiC晶片的成本对于最大限度地降低SiC基功率器件的总体成本至关重要。从目前的6 英寸SiC晶片切换到8英寸SiC晶片可以生产1.8倍以上的器件，可将整体器件成本降低20 - 35%。虽然第一个8英寸碳化硅晶圆是在2015年报道的，但是目前8英寸SiC晶片只有小规模使用。8英寸SiC晶片需要利用6英寸SiC作为籽晶采用先进的物理气相传输（PVT）技术进行生长，该技术允许SiC晶体直径的扩展。在多次扩径生长过程中，SiC晶体垂直和横向生长，横向生长由锥形籽晶支架支撑。横向生长界面处的流场和温度场的变化可能会在SiC晶锭的扩径区域（EDR）中诱发不同的缺陷。因此，对多次扩径生长工艺提出了重大挑战。SiC晶片中的缺陷会降低载流子迁移率和临界击穿电压，从而损害SiC基器件的性能和寿命。在未来，可能需要通过多次扩径生长过程进一步将SiC晶片的尺寸扩径到超过8英寸。因此，研究SiC晶片EDR中的缺陷是至关重要的。

来自中国科学院物理研究所的陈小龙团队通过物理气相传输法利用多次扩径生长过程制备了8英寸的碳化硅（SiC）单晶。研究发现在8英寸的碳化硅晶锭的扩径区域存在类似微管的缺陷，而在通过步进生长模式在SiC籽晶上生长的未扩展直径区域中则不存在这些缺陷。通过光学显微镜、扫描电子显微镜、拉曼光谱、激光扫描共聚焦显微镜、缺陷追踪实验和能量色散谱等方法，对这些缺陷的形态、多型和形成机制进行了研究。研究发现，微管状缺陷的直径在几十微米的尺度上，与[0001̅]方向呈约50°的角度，其来源是由SiC粉末分解产生的碳颗粒。这些缺陷中没有观察到其他多型的包含物。通过使用烧结SiC粉末作为原料可以有效减少微管缺陷。研究结果为通过多次扩径生长过程制备高质量、低缺陷密度的大尺寸SiC单晶提供了一种有效的方法。相关研究成果以题为“Micropipe-Like Defects in the Expanded Diameter Region of 8 in. SiC Grown by Physical Vapor Transport”发表在“Crystal Growth & Design”上。

以下是文中实验的研究结果：

1. 籽晶生长：在SiC籽晶上通过台阶生长模式生长了未扩径区域（UEDR）。通过X射线单晶晶向仪表征，确定了UEDR的生长方向为偏离[112̅0] 4°方向。

2. 扩展直径生长：在UEDR之外，通过扩展直径生长（EDR）使SiC晶体在横向上生长。研究结果显示，EDR区域存在类似微管道的缺陷。这些缺陷的直径为几十微米，与[0001̅]方向呈约50°的交叉角。通过光学显微镜、扫描电子显微镜、激光扫描共聚焦显微镜、能谱仪等技术对这些缺陷的形态、多晶型和形成机制进行了详细研究。

3. 碳颗粒来源：研究发现，这些微管道状缺陷是由SiC粉末分解产生的碳颗粒引起的。在生长过程中，碳颗粒从升华的SiC粉末传输到生长界面，形成了这些缺陷。通过应用烧结SiC粉末作为原料，可以有效减少这些微管缺陷的形成。

论文链接：
https://doi.org/10.1021/acs.cgd.3c00850

图 1：用于通过扩径生长制备 8 英寸 SiC 晶体的 PVT 生长系统示意图。

图 2：(a) 使用 PVT 法通过扩径生长制备的 8 英寸 SiC 晶锭照片。(b) 使用 PVT 法通过扩径生长SiC 晶锭的示意图。从 8 英寸 SiC 晶锭垂直于 [0001̅] 方向切片的 SiC 晶圆的 (c) UEDR 和 (d) EDR 的 OM 图像。(e) 在 SiC 的 EDR 中观察到的微管缺陷的 SEM 图像。(f) 在 SiC 的 EDR 中观察到的微管状缺陷的放大 SEM 图像，表明阶梯流终止于缺陷的内壁。

图3：平行于8英寸碳化硅锭 [0001̅]方向切片的(a) UEDR， (b) UEDR边界，(c) SiC(101̅0)平面的EDR OM图像。

图4：SiC材料EDR中微管缺陷的显微拉曼光谱。插图显示了测试的5个点。

图5：(a，b)生长1h后的原生碳化硅表面的激光扫描共聚焦显微镜图像。(c)沿着图5b所示黄线测量的颗粒长度和高度结果。(d)从图5a所示颗粒获得的拉曼光谱。

图6：(a,b)生长4 h后SiC晶锭表面EDR的LSCM图像。(c)沿红线测量的微管状缺陷深度测量结果如图6b所示。(d,e)生长4 h后SiC晶锭表面UEDR的LSCM图像。(f)沿图6e所示红线测量的II型微管的深度测量结果。

图7：(a) SiC沿[0001̅]生长方向切片的二次电子(SE) SEM图像，突出了在EDR处形成的微管状缺陷。(b) C元素和(c) Si元素对应的EDS映射图。

图8：(a)通过VR-PVT软件模拟轴对称系统的温度场和流场。(b)采用烧结碳化硅粉末为原料，生长3 h后，由EDR获得的SiC表面的LSCM图像。(c,d) 8英寸碳化硅锭EDR中微管状缺陷形成机理示意图。

总体而言，本研究通过实验结果论证了多次扩径生长过程中形成的微管缺陷的存在，并揭示了其形成机制。此外，通过应用烧结SiC粉末作为原料，成功减少了这些缺陷的形成。因此，本研究验证了实验的假设，并为高质量、低缺陷密度的大尺寸SiC单晶的生长提供了有效方法。

来源： 半导体信息

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