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无论是PVT还是HTCVD生长碳化硅单晶,都涉及到了气固相变。所以,这个生长具有三种模式:岛状生长(Volmer-Weber,VW)、层状生长(Frankvander-Merwe,FM)、混合生长(Stranski-Krasannov,SK)。


这是由于存在两种作用的平衡:沉积的气体原子与沉积的气体原子的作用,沉积的气体原子与衬底原子的作用

  1. 岛状生长:沉积原子与衬底原子的作用<沉积原子与沉积原子的作用;

  2. 层状生长:沉积原子与衬底原子的作用>沉积原子与沉积原子的作用;

  3. 混合生长:先层状生长,再岛状生长。



岛状生长容易在4H-SiC上长出3C-SiC,为了防止生成其他晶型,需要控制生长方式为层状生长。但是,纯碳硅双分子层反而会发生混合生长——就算一开始是层状生长,后面就开始岛状生长其他晶型的碳化硅单晶。


可以从微观上分析原因:如果将沉积的气体原子视为六面体,一片衬底的表面根据接触面的多少,分为台面(Terrace)、台阶(Ledge、Step)、扭折(Kink),合称TLK结构:

  1. 台面与沉积原子接触面为1;

  2. 台阶与沉积原子接触面为2;

  3. 扭折与沉积原子接触面为3。


理所当然,台阶的接触面多于台面,沉积原子与衬底原子的作用更强。这样越能实现沉积原子与衬底原子的作用>沉积原子与沉积原子的作用。所以,一般按照一定的偏角切割单晶,得到具有偏角的衬底或者籽晶,使得台面变成台阶。


这就是,SiC的台阶流(Step-controlled epitaxy)生长:使用与(0001)面有偏角的衬底,构建更多的台阶,减少台面,防止自发成核,进一步防止生成3C-SiC。Cree的产品为4.0˚ toward[1120] ± 0.5˚。


偏4°及以下的低偏角衬底仍旧会发生3C-SiC成核,造成三角形缺陷。三角形缺陷=两个基面位错+堆垛层错,两个基面位错延伸成为斜边,而中间就是堆垛层错,这个层错容易直接塌陷。这需要控制温度、气流等条件,进一步调控。


参考文献

4H-SiC低压同质外延生长和器件验证 西安电子科大 博士论文 胡继超


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