JPhysD编辑优选:4H碳化硅中掺杂对基平面位错形核的影响

14 10月 2024 gabriels
浙江大学杨德仁院士团队的皮孝东教授和王蓉研究员等人发现了在4H碳化硅(4H-SiC)加工过程中,剪切应力会导致基平面位错(BPD)的形核与滑移的现象;氮杂质可促进BPD的形核与滑移,并释放剪切应力;而钒杂质则阻碍碳化硅中BPD的形核,在晶体内部积累大量应力,导致4H-SiC向3C-SiC相变;该工作将有助于人们根据4H-SiC的掺杂情况改进其晶圆的加工工艺。


文章介绍

Doping-Dependent Nucleation of Basal Plane Dislocations in 4H-SiC

Xiaoshuang Liu, Rong Wang(王蓉), Junran Zhang, Yunhao Lu, Yiqiang Zhang, Deren Yang(杨德仁) and Xiaodong Pi(皮孝东)

通讯作者:

  • 王蓉,浙江大学
  • 皮孝东,浙江大学

 

研究背景:

4H碳化硅(4H-SiC)具有禁带宽度大,击穿电场高、热导率高和电子饱和迁移率高等优异特性,在电动汽车、5G基站、卫星通讯等领域具有广阔的应用前景。4H-SiC的应用对其表面和亚表面的要求极为严苛,其加工质量和精度将直接影响碳化硅基器件的性能。由于4H-SiC的硬度和脆性较高,4H-SiC晶圆加工仍存在损耗大、效率低和面型参数控制困难等问题。已有研究表明,基平面位错是4H-SiC晶圆加工过程产生的主要位错类型。氮(N)杂质和钒(V)杂质常用来调控4H-SiC的电学特性,而N杂质和V杂质对BPD形核机制的影响尚不明确。理解掺杂杂质对4H-SiC中BPD形核过程的影响机理对于优化具有不同掺杂杂质的4H-SiC的晶圆加工工艺具有重要意义。

 

研究内容:

在该工作中,研究者们采用纳米压痕和透射电镜等方法研究了BPD在4H-SiC中的形核过程,以及N杂质和V杂质影响BPD形核的机理,为优化具有不同掺杂杂质的4H-SiC的晶圆加工工艺提供了理论支撑。

小载荷纳米压痕实验表明,载荷小于2mN时,4H-SiC处于弹性变形阶段。当载荷增大至2.6 mN,压入深度增大至47nm时,4H-SiC的加载曲线出现位移突进(pop-in)的现象,表明此时4H-SiC从弹性变形转入不可逆的塑性变形并导致BPD的形核。另外,具有不同掺杂杂质的4H-SiC在纳米压痕实验中位移突进的位置发生了显著变化,说明掺杂改变了BPD形核所需的临界载荷。

图1 不同掺杂特性的4H-SiC在纳米压痕过程中的位移-载荷曲线

计算得到的4H-SiC在纳米压痕过程中的剪切应力和拉伸应力表明,剪切应力在4H-SiC的变形过程中占据主导作用。通过比较位移突进时的临界剪切应力和拉伸应力,并结合透射电子显微研究,研究者们发现在未掺杂和N掺杂的4H-SiC中,BPD形核是导致4H-SiC发生弹塑性转变的主要原因;而V掺杂的4H-SiC中发生了4H-SiC向3C-SiC的晶相转变,导致4H-SiC的塑性变形。

图2 具有不同掺杂杂质的4H-SiC的剪切应力和拉伸应力随压入深度的变化。

图3 V掺杂的4H-SiC在位移突进处的透射电镜图像,在剪切带附近存在4H-SiC向3C-SiC的晶相转变。


作者介绍

王蓉  研究员

浙江大学

  • 王蓉,浙江大学杭州国际科创中心研究员。从事宽禁带半导体中的杂质与缺陷研究。在国际知名期刊和学术会议上发表论文50余篇,拥有授权的发明专利12项。
 

皮孝东  教授

浙江大学

  • 皮孝东,浙江大学硅及先进半导体材料全国重点实验室和浙江大学杭州国际科创中心双聘教授。目前主要从事半导体碳化硅研究。
 

杨德仁  院士

浙江大学

  • 杨德仁,浙江大学硅及先进半导体材料全国重点实验室主任和浙江大学杭州国际科创中心首席科学家。主要从事硅等半导体材料研究。

期刊介绍

Journal of Physics D: Applied Physics

  • 2023年影响因子:3.1  Citescore:6.8
  • Journal of Physics D: Applied Physics(JPhysD,《物理学报D:应用物理》)发表应用物理各领域的前沿研究和综述,具体包括:应用磁学和磁性材料、半导体和光子学、低温等离子体和等离子表面相互作用、凝聚态物理、表面科学和纳米结构、生物物理以及能源等六个领域。文章类型包括原创性论文、研究路线图、通讯以及每年针对热点研究的专题综述和特刊。