Versetzung in SiC-Kristallen

SiC-Substrat kann mikroskopische Defekte aufweisen, wie z. B. Threading Screw Dislocation (TSD), Threading Edge Dislocation (TED), Base Plane Dislocation (BPD) und andere. Diese Defekte werden durch Abweichungen in der Anordnung der Atome auf atomarer Ebene verursacht.

SiC-Kristalle wachsen typischerweise parallel zur c-Achse oder in einem kleinen Winkel dazu, was bedeutet, dass die c-Ebene auch als Basisebene bezeichnet wird. Es gibt zwei Haupttypen von Versetzungen im Kristall. Wenn die Versetzungslinie senkrecht zur Basisebene verläuft, übernimmt der Kristall Versetzungen vom Impfkristall in den epitaktisch gewachsenen Kristall. Diese Versetzungen werden als durchdringende Versetzungen bezeichnet und können basierend auf der Ausrichtung des Bernoulli-Vektors zur Versetzungslinie in Gewindekantenversetzungen (TED) und Gewindeschraubenversetzungen (TSD) eingeteilt werden. Versetzungen, bei denen sowohl die Versetzungslinien als auch die Brönsted-Vektoren in der Basisebene liegen, werden als Basisebenenversetzungen (BPD) bezeichnet. SiC-Kristalle können auch zusammengesetzte Versetzungen aufweisen, die eine Kombination der oben genannten Versetzungen sind.

1. TED&TSD

Sowohl Gewindeversetzungen (TSDs) als auch Gewindekantenversetzungen (TEDs) verlaufen entlang der [0001]-Wachstumsachse mit unterschiedlichen Burgers-Vektoren von <0001> bzw. 1/3<11-20>.

Both TSDs and TEDs can extend from the substrate to the wafer surface and produce small pit-like surface features. Typically, the density of TEDs is about 8,000-10,000 1/cm2, which is almost 10 times that of TSDs.

Während des SiC-Epitaxiewachstumsprozesses erstreckt sich TSD vom Substrat bis zur Epitaxieschicht des ausgedehnten TSD und kann sich in andere Defekte auf der Substratebene umwandeln und sich entlang der Wachstumsachse ausbreiten.

It has been shown that during SiC epitaxial growth, TSD is transformed into stacking layer faults (SF) or carrot defects on the substrate plane, while TED in the epitaxial layer is shown to be transformed from BPD inherited from the substrate during epitaxial growth.

2. BPD

Basalebenenversetzungen (BPDs), die in der [0001]-Ebene von SiC-Kristallen liegen, haben einen Burgers-Vektor von 1/3 <11-20>.

BPDs treten selten auf der Oberfläche von SiC-Wafern auf. Diese sind üblicherweise mit einer Dichte von 1500 1/cm2 auf dem Substrat konzentriert, während ihre Dichte in der Epitaxieschicht nur etwa 10 1/cm2 beträgt.

Es versteht sich, dass die Dichte von BPDs mit zunehmender Dicke des SiC-Substrats abnimmt. Bei der Untersuchung mittels Photolumineszenz (PL) zeigen die BPDs lineare Merkmale. Während des epitaktischen Wachstumsprozesses von SiC kann das ausgedehnte BPD in SF oder TED umgewandelt werden.

Aus dem oben Gesagten ist ersichtlich, dass im SiC-Substratwafer Defekte vorhanden sind. Diese Defekte können beim epitaktischen Wachstum dünner Filme vererbt werden und zu schwerwiegenden Schäden am SiC-Bauelement führen. Dies kann zum Verlust der Vorteile von SiC wie einem hohen Durchschlagsfeld, einer hohen Sperrspannung und einem geringen Leckstrom führen. Darüber hinaus kann dies die Qualifizierungsrate des Produkts verringern und aufgrund der verringerten Zuverlässigkeit große Hindernisse für die Industrialisierung von SiC darstellen.