晶體生長相關內(nèi)容——晶型控制與襯底缺陷

晶體生長在分析晶體生長時，我們需要考慮多個關鍵因素，這些因素共同影響著晶體生長的質量和進程。本文介紹了晶體生長相關內(nèi)容，包括：雜對晶格硬度變化影響、碳化硅晶型控制、襯底缺陷控制和電氣特性控制。

1 摻雜對晶格硬度變化影響

在晶體系統(tǒng)中，摻雜是一種常見的技術手段，通過向晶格中添加雜質原子，可以改變晶體的機械性能。這種現(xiàn)象在金屬和半導體材料中尤為普遍。摻雜不僅會引起晶體中的應力變化，還會影響位錯的移動和滑移行為，從而進一步影響晶體的硬度。

摻雜在冶金和半導體中的應用

在冶金領域，添加雜質已被用作阻止缺陷運動、硬化材料的手段。類似地，在化合物半導體材料中，如砷化鎵，摻雜特定元素會影響位錯在不同滑移面上的滑移行為。這些發(fā)現(xiàn)為通過摻雜調控晶體機械性能提供了理論基礎。

碳化硅中的摻雜效應

碳化硅（SiC）作為一種重要的化合物半導體材料，其機械性能也受到摻雜的影響。碳化硅中有六個主要的滑移系統(tǒng)，其中基矢面滑移是最常見的，因為它所需的能量較少。然而，當材料摻雜了硼/鋁受主或氮施主等摻雜劑時，滑移系統(tǒng)的行為可能會發(fā)生變化。

摻雜原子在晶格中的位置及應力

電子順磁共振（EPR）和電子-核雙共振（ENDOR）譜研究表明，受主鋁和硼占據(jù)碳化硅晶體中的硅位點，而施主氮則占據(jù)碳位點。由于取代原子和被取代原子之間的原子半徑差異，這些原子在晶格中的位置會產(chǎn)生應力。具體來說，較大鋁原子在硅位點上產(chǎn)生的壓縮應力與較小硼原子產(chǎn)生的拉伸應力不同，而氮原子在碳位點上產(chǎn)生的應力也有其獨特性。

摻雜對位錯滑移的阻礙作用

這些應力差異會影響位錯的滑移行為。與氮原子相比，鋁和硼原子在晶格中產(chǎn)生的應力可能更有效地阻止基矢面滑移。因此，在P型摻雜的碳化硅中，基矢面位錯的形成和滑移將受到更大的阻礙。相比之下，N型摻雜的碳化硅更容易產(chǎn)生基矢面位錯。

綜上所述，摻雜對碳化硅晶格的硬度變化具有顯著影響。通過選擇合適的摻雜劑和摻雜濃度，可以調控碳化硅的機械性能，為制備高性能的碳化硅材料提供新的途徑。

2 碳化硅晶型控制

碳化硅的晶型與結構

碳化硅具有多種晶型，其中最常見的是3C（立方）、4H、6H和15R。這些晶型的差異主要在于Si-C單元在六邊形雙層中的排列順序。這種排列決定了碳化硅的晶體結構和性質。此外，碳化硅的(0001)面可以是碳終止層或硅終止層，這取決于終止原子的類型。

晶型夾雜物的問題

在碳化硅襯底生長過程中，晶型夾雜物是一個主要問題。這些夾雜物不僅限制了單晶碳化硅襯底的生長直徑，還可能為其他缺陷提供成核位點，導致晶體質量下降。晶型夾雜物形成的主要原因是其層錯能很低，這要求生長過程中的熱力和動力條件必須得到特殊控制。

影響晶型夾雜物的因素

熱條件和生長壓力：精確控制熱條件和生長壓力對于減少晶型夾雜物至關重要。這需要通過精心設計生長腔和特別注意籽晶的安裝來實現(xiàn)。

籽晶的表面極性：籽晶的表面極性對碳化硅晶體生長的晶型有很大影響。不同的晶面具有不同的表面能，這導致4H晶型優(yōu)先生長在表面能較低的碳面上，而6H晶型則優(yōu)先生長在具有較高表面能的硅面上。

氣體的過飽和度：過飽和度是影響晶型轉變的重要參數(shù)之一。高的過飽和度和特定的Si/C蒸氣比對4H晶型的形成至關重要。

氣相的化學計量比：Si/C比直接影響晶型的穩(wěn)定性和生長條件。

雜質水平：碳化硅原材料中的雜質，如稀土元素中的鈧和鈰，以及摻入晶格中的氮，都會影響晶型的穩(wěn)定性。這些雜質可能通過改變蒸氣中的碳富集程度或改變原子核的表面能來發(fā)揮作用。

晶型控制與生長條件的關系

不同碳化硅晶型的成核與生長溫度有很強的相關性。例如，3C-SiC可以在低溫下生長，而六邊形的晶型則需要較高的生長溫度。然而，由于不同晶型間的能量差異很小，僅通過溫度條件來控制晶型的轉變相當困難。因此，需要綜合考慮過飽和度、氣相中的Si/C比、溫度梯度以及反應腔壓力等多個參數(shù)來控制晶型的穩(wěn)定性和轉變。

碳化硅的晶型控制是一個復雜的過程，涉及多個因素的影響。精確控制熱條件、生長壓力、籽晶的表面極性、氣體的過飽和度以及氣相的化學計量比等參數(shù)是減少晶型夾雜物和提高晶體質量的關鍵。

3 襯底缺陷控制

襯底缺陷的影響

襯底缺陷對碳化硅器件的性能具有非常不利的影響。這些缺陷往往會傳播到后續(xù)的外延層中，導致器件性能下降甚至失效。因此，降低襯底缺陷是碳化硅襯底技術面臨的最關鍵的挑戰(zhàn)之一。

物理氣相傳輸生長中的螺旋式生長

物理氣相傳輸生長（PVT）是碳化硅襯底生長的主要方法之一。在PVT過程中，螺旋式生長是一個顯著的特征。

螺旋式生長與多種生長因素相關，如生長參數(shù)的不穩(wěn)定和籽晶的質量。這些因素會導致二維和三維成核，進而形成螺旋生長。螺旋生長與晶體缺陷的形成密切相關，如位錯、晶體鑲嵌（疇結構）和微管缺陷等。

微管缺陷的形成與影響

在所有缺陷中，微管缺陷被認為是限制碳化硅作為商業(yè)半導體材料的主要威脅。微管缺陷是一個大的螺旋位錯的空心核，會沿著生長方向貫穿整個晶體（生長平行于c軸條件下）并被復制到器件的外延層。因此，微管缺陷會嚴重損害器件性能。關于微管缺陷形成的原因，已有多種觀點，但大多數(shù)觀點都圍繞弗蘭克理論提出，即微管缺陷在具有大伯格斯矢量的螺旋位錯上形成。

微管缺陷形成的可能來源

目前已經(jīng)確認了幾種與生長相關的微管缺陷形成的可能來源，包括熱力學、動力學和技術方面。熱力學來源涉及熱場均勻性、氣相組成、空位過飽和狀態(tài)、位錯形成和固態(tài)轉變等。動力學來源包括成核過程、生長相形態(tài)、不均勻的過飽和狀態(tài)和氣泡的捕獲等。技術方面則包括過程的不穩(wěn)定、籽晶的表面處理以及生長系統(tǒng)的污染等。

微管缺陷控制的進展

隨著對微管缺陷形成來源的深入了解和實驗研究，以及對生長過程的精確建模，生長技術得到了巨大的改進。特別是近年來，在降低微管缺陷密度方面取得了穩(wěn)步的進展。當前，具有零微管缺陷的N型4H-SiC襯底已經(jīng)商業(yè)化。

偏軸生長與反向“重復a面”(RAF)生長

盡管微管缺陷是籽晶升華生長（標準物理氣相傳輸）所固有的，但使用傳統(tǒng)方法（如Acheson工藝和Lely工藝）生長的晶體很少顯示出微管缺陷。這歸因于偏軸生長方法對微管缺陷生成的抑制作用。這些發(fā)現(xiàn)引出了新的研究方向，即垂直于c軸的碳化硅生長。此外人們提出了一種叫作反向“重復a面”(RAF)生長的方法，作為垂直于c軸生長過程的修正。這種方法在某些方面較為優(yōu)越，為碳化硅襯底技術的發(fā)展提供了新的思路。

襯底缺陷控制是碳化硅襯底技術中的關鍵環(huán)節(jié)。通過深入研究缺陷的形成機制和控制方法，我們可以不斷提高碳化硅襯底的質量，為碳化硅器件的商業(yè)化應用提供有力支持。

4 電氣特性控制

在半導體材料領域，電阻率是衡量材料性能的重要指標之一。對于碳化硅（SiC）而言，如何精確控制摻雜劑的含量，無論是故意摻雜還是無意摻雜，都是當前面臨的主要挑戰(zhàn)。

大功率器件與微波器件的需求差異

碳化硅在大功率器件領域有著廣泛的應用，這類器件需要低電阻的襯底來減少功率損耗，主要由寄生電阻和接觸電阻引起。然而，對于在微波頻率下工作的器件和電路，半絕緣襯底則至關重要，因為它們能顯著降低介電損耗并減少器件的寄生效應。

摻雜劑的選擇與摻雜方法

在碳化硅中，氮是常用的N型摻雜劑，而鋁則是主要的P型摻雜劑。這兩種摻雜劑在碳化硅的帶隙中產(chǎn)生了相對較淺的施主和受主能級。盡管磷在碳化硅中的溶解度高于氮，有研究提出用磷替代氮作為N型施主，但目前在工業(yè)化生產(chǎn)中，標準物理氣相傳輸方法仍然采用氮摻雜。氮摻雜通常通過將氮氣摻入生長坩堝的石墨孔隙中實現(xiàn)。相比之下，鋁摻雜則是將鋁直接混合到碳化硅原材料中進行P型摻雜。然而，這種方法存在鋁不斷消耗的問題，阻礙了P型襯底的普及。

摻雜量的精確控制

通過精確控制表面極性效應和生長參數(shù)，可以有效地實現(xiàn)摻雜量的控制。目前，市場上已經(jīng)實現(xiàn)了高摻雜（1020 cm-3）的N型4H-SiC、6H-SiC以及半絕緣（1014 cm-3）的4H-SiC襯底的商業(yè)化。

4H-SiC和6H-SiC的已知最低電阻率分別為0.0028Ω·cm和0.0016Ω·cm，而4H-SiC的已知最高電阻率大于105Ω·cm。由于4H-SiC具有更高的載流子遷移率和更小的各向異性，這些關鍵性能對高功率和高頻器件的應用非常有利，因此市場趨勢傾向于廣泛采用4H-SiC襯底。