碳化硅晶体材料缺陷分析，这些基本要掌握

2023-02-20 | 新闻资讯 作者：小编



碳化硅晶体材料在电子电器检测种类中，属于重要重要的半导体材料。半导体材料是电力电子技术发展的基础和核心。经过多年的发展，传统硅基功率器件的性能已逼近理论极限，碳化硅晶体材料组成的器件相较于硅有着高热导率、高抗辐射等性能，适用于大功率、高频等应用场景。同时碳化硅基器件还具有体积小、散热效率高、运行损耗低、制备污染少等经济和环保效益。相较于硅，碳化硅具有宽禁带、高击穿电场、高热导率、高电子饱和漂移速率和高抗辐射等性能优点，非常适合大功率、高温、高频、抗辐射等应用场合。

碳化硅晶体材料


近几年，碳化硅基功率器件在各个行业的应用占比逐渐提高，后续降低成本和提高产品良率将是行业的主要发展方向。而影响碳化硅产品良率和成本的主要因素就是生长、加工过程中引入的缺陷，例如，单晶生长时产生的晶锭缺陷、衬底切磨抛时产生的衬底缺陷、外延生长时产生的外延缺陷和器件制造时产生的工艺缺陷等。


一、产生缺陷的原因分析


碳化硅晶体在生长、加工等环节都会产生缺陷，这些缺陷与其他半导体材料，如硅、锗的缺陷，在形状、类型、起因上都有所不同或完全不同，它们的存在会降低后续器件对碳化硅材料的利用率。碳化硅晶体缺陷分析，需要我们从晶锭到器件的各个工艺环节可能产生缺陷的形貌特征和产生原因进行了描述，并根据对应的缺陷图谱进行定性鉴别。


碳化硅晶体缺陷的存在降低了后续器件对碳化硅材料的利用率。很多企业通过降低碳化硅晶体材料中的缺陷密度来提高材料的利用率，可以进一步降低碳化硅功率器件的制造成本。因此，有必要对碳化硅材料在生产、加工中的缺陷进行识别、检验。按其产生原因和影响程度对 SiC 晶体、衬底和外延层缺陷进行归类，分析其产生原因和消除方法，具有重要意义。


二、碳化硅常见缺陷分类 


1.晶锭缺陷

裂纹、六方空洞、杂晶、硅滴包裹体、碳包裹体、边缘多晶、多型等


2.衬底缺陷

层错、微管、碳包裹体、晶型包裹体、螺位错、刃位错、基平面位错、小角晶界、划痕、CMP 隐含划痕、亚表面损伤等


3.外延缺陷

掉落颗粒物、三角形缺陷、彗星缺陷、胡萝卜缺陷、小坑缺陷、梯形缺陷、台阶聚集、外延凸起、乳凸、层错、螺位错、刃位错、基平面位错、半环列阵等


4.工艺缺陷

氧化缺陷电、应力诱导三角形层错、电应力诱导条形层错、干法刻蚀缺陷等



三、常见缺陷分析方法


1.显微镜观察：使用光学显微镜或电子显微镜来观察碳化硅晶体材料表面的缺陷，例如裂纹、气泡、孔洞、晶界等。


2.X射线衍射分析：利用X射线衍射技术分析碳化硅晶体材料中的晶格结构和缺陷。例如，可以通过观察X射线衍射图谱的峰形和强度来确定晶体的晶格结构和缺陷类型。


3.光致发光谱（PL）分析：使用PL技术来检测碳化硅晶体材料中的缺陷。由于不同类型的缺陷会产生不同的光致发光谱，因此可以通过分析PL谱来确定缺陷类型和浓度。


4.电学测试：使用电学测试技术（例如电阻率测量、介电常数测量等）来分析碳化硅晶体材料中的缺陷。例如，电阻率的变化可以用于检测晶体中的缺陷。


5.激光扫描显微镜（LSCM）：使用LSCM技术来观察碳化硅晶体材料的表面和体内缺陷，例如气泡和裂纹。LSCM可以提供高分辨率的三维图像，有助于检测微小的缺陷。


6.晶体缺陷模拟：使用计算机模拟技术来模拟碳化硅晶体材料中的缺陷。例如，可以使用分子动力学模拟来模拟晶体中缺陷的行为和效应，以进一步理解缺陷的性质和影响。

7.核磁共振（NMR）技术：使用NMR技术可以分析碳化硅晶体材料中的结构缺陷和杂质。NMR可以提供高分辨率的谱图，从而可以确定晶体中的特定原子和分子的结构和位置，以及它们可能引起的缺陷和性质。


8.热释光（TL）和光致发光（OSL）技术：使用TL和OSL技术可以分析碳化硅晶体材料中的放射性杂质和缺陷。这些技术可以测量晶体中的辐射剂量和放射性核素的浓度，以确定它们可能引起的缺陷和性质。


9.X射线光电子能谱（XPS）技术：使用XPS技术可以分析碳化硅晶体材料表面的化学成分和缺陷。XPS可以提供表面元素的化学状态和浓度信息，从而可以确定表面缺陷的类型和浓度。


10.拉曼光谱技术：使用拉曼光谱技术可以分析碳化硅晶体材料中的晶格振动和缺陷。不同类型的缺陷和杂质会产生不同的拉曼光谱，因此可以通过分析拉曼光谱来确定晶体中的缺陷和杂质类型。


碳化硅检测

以上这些技术和方法并不是全部，还有其他一些分析方法，这些方法可以根据具体情况进行选择和组合，以获得更全面和准确的分析结果。碳化硅行业在一些高压材料、器件制备工艺上还处于被国外卡脖子的情况，对碳化硅晶体材料缺陷分析可以为国内企业、研究机构等提供实践基础，缩短研究时间，可以帮助推动我国碳化硅行业的更快速、更高质发展，早日实现工艺技术的全面国产化。近几年我国在多个发展指南文件中多次重点提及要大力支持碳化硅材料的发展，目前国内碳化硅领域也逐步形成了从设备、材料到器件的完整产业链。随着近两年新能源汽车的兴起，吸引了一批企业投资入行碳化硅行业，但作为近几年才发展起来的新领域。


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