4H碳化硅位错相关漏电流路径
Wandong高1、2，
雪峰汉
小东π
Deren杨
荣王- 1浙江大学硅与先进半导体材料国家重点实验室，材料科学与工程学院，浙江杭州
- 2浙江大学-杭州全球科技创新中心先进半导体研究所，浙江省功率半导体材料与器件重点实验室，浙江杭州
- 3.浙江理工大学物理系浙江省光场操纵重点实验室，浙江杭州
提高4H碳化硅(4H- sic)外延层的质量以降低4H- sic基高功率器件的泄漏电流是4H- sic同质外延发展中长期存在的问题。在这项工作中，我们比较了不同类型的位错的影响，并区分位错线和位错相关凹坑对4H-SiC泄漏电流的影响，结合熔化- koh蚀刻和隧道原子力显微镜(TUNA)测量。结果表明，螺纹位错(TDs)的位错线和与td相关的凹坑均增加了4H-SiC的反向漏电流。td位错线对4H-SiC的反向漏电流影响较大，导致反向漏电流在td相关坑内分布不均匀。由于TDs的Burgers矢量不同，TDs对4H-SiC逆漏电流的影响依次为螺纹位错(TED)、螺纹位错(TSD)和螺纹混合位错(TMD)。基底面位错也会使反向漏电流略有增加，漏电流主要集中在基底面位错的核心处。与td相比，bpd对4H-SiC反漏电流的影响可以忽略不计。我们的工作表明，降低TDs，特别是tmd和TSDs的密度是提高4H-SiC外延层质量和降低4H-SiC高功率器件反向泄漏电流的关键。
1介绍
4H碳化硅(4H- sic)具有宽带隙、高击穿电场强度和高导热性等优越性能，使4H- sic基大功率电子器件在工业电机驱动、电力运输和新能源转换器(库珀和阿加瓦尔，2002年；木本和库珀，2014年；王等，2020)．与其他宽带隙半导体相比，由于4H-SiC衬底单晶生长和晶圆加工的巨大成功，4H-SiC的同相外延具有位错密度低、可靠性高的优势，有利于4H-SiC基大功率器件的产业化。此外，4H-SiC的高导热性保证了4H-SiC基大功率器件的方便散热(Lidow等人，2019年；Higashiwaki等人，2017)．基于4H-SiC的大功率器件的独特特点包括高击穿电压、低功率损耗和高开关速度(Matsunami 2004；Kimoto 2015；罗等人，2019；木本和渡边，2020年)．尽管4H-SiC的缺陷控制已经非常完善，但4H-SiC中的缺陷会显著降低4H-SiC功率器件的性能。经过几十年的发展，器件杀伤微管和胡萝卜缺陷已被成功消除(Neudeck和Powell, 1994；Kimoto等人，1999年；Kimoto, 2014)。而位错仍然是主要的复合中心，并发现位错增加了4H-SiC基大功率器件的泄漏电流和降低了击穿电压(尤因等人，2007年；弗里德里希,2008；Hamada et al.， 2015；Łażewski等，2019)．
根据Burgers向量和位错线方向，4H-SiC中的位错可分为螺纹边缘位错(TEDs)、螺纹边缘位错(TSDs)、螺纹边缘位错(TMDs)和基面位错(bpd) (Nakamura等，2007；Li等，2022；Luo等人，2022)．研究发现，所有位错均增加了4H-SiC功率器件的漏电流，且TSDs的影响比ted (Wahab等人，2000年；Berechman等人，2010)．同步x射线形貌(XRT)和透射电镜(TEM)研究表明，在4H-SiC中，tmd主导着TSD/ tmd的结构，而tmd对4H-SiC高功率器件泄漏电流的影响仍不明确(Onda等，2013；Konishi等人，2019年；品川等人，2020年)．同时，在4H-SiC中发现了源于bpd的泄漏电流p-n二极管及双极结晶体管(Muzykov et al.， 2009；Skowronski和Ha, 2006；Ota等人，2021年)．由于Burgers向量的不同，不同类型的位错会在4H-SiC中产生不同的原子失序，从而导致4H-SiC基大功率器件(Berechman等人，2010；Nishio等人，2022；Senzaki等人，2006)．然而，对4H-SiC漏电流位错类型的比较研究很少。此外，认为螺纹位错(主要是tsd和ted)的泄漏电流主要是由螺纹位错露头形成的表面凹坑所控制，而不是由螺纹位错本身(佛罗伦萨等人，2020年；Fujiwara等人，2012a；藤原等，2012b；Ohtani等人，2012)．然而，Huang等人发现4H-SiC肖特基势垒二极管(sbd)中TED的位错线对漏电流(Huang等，2022)．因此，识别不同类型位错诱导的泄漏电流程度，区分位错和位错诱导的凹坑对4H-SiC泄漏电流的影响，对于优化4H-SiC脱模层至关重要。
在这项工作中，我们结合熔化koh蚀刻和隧道原子力显微镜(TUNA)测量，研究了位错对同质外延4H-SiC泄漏电流的影响。结果表明，位错对4H-SiC逆漏电流的影响顺序为bpd、ted、tsd、tmd。并对位错线和位错坑的影响进行了判别。我们发现td的位错线和td相关的坑都增加了4H-SiC的反向泄漏电流。td位错线对4H-SiC的反向泄漏电流的影响更为显著，导致反向泄漏电流在td相关坑内分布不均匀。BPD对反向漏电流也有轻微的增加，漏电流主要集中在BPD的核心处。与td相比，bpd对4H-SiC反漏电流的影响可以忽略不计。
2实验方法
2.1 4H-SiC薄膜的外延和熔koh蚀刻
利用热壁化学气相沉积(CVD)在离轴4°n掺杂4H-SiC (Skowronski和Kimoto, 2015)．采用三氯硅烷(SiHCl)进行了4H-SiC的均外延3.C2H4)分别为Si和C的生长源。C/Si比优化为0.85，氢气(H2)作为载气。H的流速2为100升/分。生长温度为1650℃，生长压力为100 mbar。在550°C的镍坩埚中进行2分钟的熔融koh蚀刻，以显示与位错相关的凹坑。
2.2特征
采用光学显微镜(OM) (Olympus BX53M)和激光扫描共聚焦显微镜(LSCM) (Zeiss LSM 900)分别观察了4H-SiC中位错相关凹坑的二维和三维形态，以区分位错类型。采用配备原子力显微镜(AFM) (Dimension Icon, Bruker)的隧穿原子力显微镜(TUNA)检测每种位错的局部漏电流。TUNA能够成像低至300 fA的半导体局部泄漏电流，导电尖端(ptir涂层Si)在4H-SiC外延样品上充当纳米尺度的肖特基触点。TUNA测量在20 × 20或40 × 40平方微米的256 × 256点上进行。扫描速度为0.3 Hz，峰值力为3.5 μN。
3结果与讨论
图1一个显示熔融koh蚀刻4H-SiC外延层的OM图像。较大的六边形凹坑、较小的六边形凹坑和海贝壳凹坑分别对应TSDs/ tmd、ted和bpd的蚀刻凹坑(Konishi等人，2019年；Katsuno et al.， 2011；董等，2013)．通过对不同位错晶片级蚀坑密度的静态分析，TSDs/ tmd、ted和bpd位错密度平均为3770个/cm22352 /厘米2， 18/cm2,分别。为了区分tmd和TSDs，我们考虑了LSCM蚀刻坑的三维形貌。根据以往的研究，TSD的蚀刻坑的坡度是单一陡峭的，蚀刻坑的终点是一个深点(图1B、F)．而TMD的六角形凹坑的末端是一个圆板，TMD的蚀刻凹坑的斜率是不均匀的(图1C, F)．
图1．蚀刻4H-SiC外延层样品的代表性OM图像(一)的LSCM图像(B)保洁,(C)战区导弹防御系统,(D)泰德,(E)BPD和深度剖面(F)．
在区分了各种位错类型后，我们用TUNA测量了每种位错的局部漏电流。如图2 a - c，在反向偏压下，所有类型td的坑内漏电流均大于无位错区漏电流。这说明td相关坑对4H-SiC的泄漏电流有显著影响。有趣的是，我们发现泄漏电流的大小取决于蚀刻坑的晶格平面。在反向偏置6 V时，TSD、TMD和TED的最大泄漏电流分别接近2.3 pA、10.5 pA和1.5 pA。此外，BPD还产生了通过BPD磁芯的泄漏电流。与td相比，BPD对4H-SiC泄漏电流的影响很小。即使反向偏置增加到8 V, bpd诱导的泄漏电流也只有416.9 fA。
图2．金枪鱼地形图像(一)保洁,(B)战区导弹防御系统,(C)泰德,(D)4H-SiC外延层中的BPD。
4H-SiC位错坑中漏电流的不均匀性可以理解为:发现与位错相关的坑由六个当量组成
图3．在离轴切片衬底上沉积的4H-SiC外延层中，位错线与蚀刻坑形貌之间的相关性示意图。蚀刻坑的灰色部分表示位错线附近的蚀刻表面。
最后，我们比较了4H-SiC中不同位错引起的反向漏电流大小。需要注意的是，当地电流-电压在不同的蚀刻坑处测量了2-3次不同位错的蚀刻坑曲线，并在蚀刻坑的同一区域进行了泄漏电流的比较。如图4，我们发现位错对4H-SiC逆漏电流的影响依次为BPD、TED、TSD和TMD。当反向偏置电压超过2.55 V和3.1 V时，沿TMD和TSD的泄漏电流分别开始急剧增加。TED对4H-SiC的反向漏电流影响不大。当反向偏置电压为3.55 V时，ted诱导的泄漏电流逐渐增大，但增加的程度较TMD-和tsd诱导的泄漏电流轻微。td对4H-SiC漏电流的影响与td的Burgers矢量有关。TMD, TSD, TED的Burgers向量为c
图4．本地化我-V4H-SiC外延层的TSD、TMD、TED和BPD曲线。
4结论
综上所述，结合熔融koh腐蚀和TUNA测量，我们明确了位错对同质外延4H-SiC泄漏电流的影响。结果表明，td的位错线和td相关的坑都增加了4H-SiC的反向漏电流。td位错线对4H-SiC的反向泄漏电流的影响更为显著，导致反向泄漏电流在td相关坑内分布不均匀。由于td的Burgers矢量不同，td对4H-SiC逆漏电流的影响依次为TED、TSD、TMD。BPD对反向漏电流也有轻微的增加，漏电流主要集中在BPD的核心处。与td相比，bpd对4H-SiC反漏电流的影响可以忽略不计。我们的工作表明，降低td，特别是tmd和TSDs的密度是提高4H-SiC外延层质量和降低4H-SiC基大功率器件反向泄漏电流的关键。
数据可用性声明
支持本文结论的原始数据将由作者提供，毫无保留地提供。
作者的贡献
WG负责实验的设计和实施、数据分析和手稿写作。GY参与样品制备和结果讨论。YQ有助于样品的制备和表征。XH参与了草案的审查和编辑工作。CC对草案的审查和结果的讨论作出贡献。XP有助于监督、概念化和草案审查。DY有助于监督、概念化和草案审查。RW参与了稿件的撰写、结果的讨论、监督和概念化。
资金
国家自然科学基金项目(No. 62274143, U22A2075, 62204216)，浙江省“先锋雁”研发计划项目(No. 2022C01021)，国家重点研发计划项目(No. 2018YFB2200101)，浙江大学教育基金会全球合作伙伴基金资助。
利益冲突
作者声明，这项研究是在没有任何商业或财务关系的情况下进行的，这些关系可能被解释为潜在的利益冲突。
出版商的注意
本文中所表达的所有主张仅代表作者，并不代表他们的附属组织，也不代表出版商、编辑和审稿人。任何可能在本文中评估的产品，或可能由其制造商提出的声明，都不得到出版商的保证或认可。
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关键词:4H碳化硅，外延层，隧道原子力显微镜，位错，漏电流
引用:高伟，杨刚，钱勇，韩旭，崔超，皮新，杨东，王锐(2023)4H碳化硅位错相关漏电流路径。前面。板牙。10:1022878。doi: 10.3389 / fmats.2023.1022878
收到:2022年8月19日;接受:2023年1月2日;
发表:2023年1月12日。
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