عيب مثلثي
تُعد العيوب المثلثية من أخطر العيوب المورفولوجية في طبقات كربيد السيليكون (SiC). وقد أظهرت العديد من الدراسات العلمية أن تكوين هذه العيوب يرتبط بشكل بلورة 3C. ومع ذلك، نظرًا لاختلاف آليات النمو، يختلف شكل العديد من العيوب المثلثية على سطح الطبقة الفوقية اختلافًا كبيرًا. ويمكن تقسيمها تقريبًا إلى الأنواع التالية:
(1) توجد عيوب مثلثة ذات جزيئات كبيرة في الأعلى
يتميز هذا النوع من العيوب المثلثية بجسيم كروي كبير في قمته، وقد يكون ناتجًا عن سقوط أجسام أثناء عملية النمو. يمكن ملاحظة منطقة مثلثية صغيرة ذات سطح خشن أسفل هذه القمة. ويرجع ذلك إلى أنه خلال عملية التراكب، تتشكل طبقتان مختلفتان من كربيد السيليكون-3C بالتتابع في المنطقة المثلثية، حيث تتبلور الطبقة الأولى عند السطح البيني وتنمو عبر تدفق متدرج من كربيد السيليكون-4H. مع زيادة سمك الطبقة التراكبية، تتبلور الطبقة الثانية من كربيد السيليكون-3C وتنمو في حفر مثلثية أصغر، لكن خطوة نمو كربيد السيليكون-4H لا تغطي منطقة كربيد السيليكون-3C بالكامل، مما يجعل منطقة الأخدود على شكل حرف V في كربيد السيليكون-3C واضحة للعيان.
(2) توجد جزيئات صغيرة في الأعلى وعيوب مثلثة ذات سطح خشن
الجسيمات عند رؤوس هذا النوع من العيوب المثلثية أصغر بكثير، كما هو موضح في الشكل 4.2. ويغطي التدفق التدريجي لـ 4H-SiC معظم مساحة المثلث، أي أن طبقة 3C-SiC بأكملها مُدمجة بالكامل تحت طبقة 4H-SiC. لا تظهر على سطح العيب المثلثي سوى خطوات نمو 4H-SiC، إلا أن هذه الخطوات أكبر بكثير من خطوات نمو بلورة 4H التقليدية.
(3) عيوب مثلثة ذات سطح أملس
يتميز هذا النوع من العيوب المثلثية بسطح أملس، كما هو موضح في الشكل 4.3. في هذه العيوب المثلثية، تُغطى طبقة 3C-SiC بالتدفق التدريجي لـ 4H-SiC، ويصبح شكل بلورة 4H على السطح أدق وأكثر نعومة.
عيوب الحفرة الفوقية
تُعدّ الحفر الفوقية (الحفر) من أكثر عيوب مورفولوجيا السطح شيوعًا، ويُظهر الشكل 4.4 شكلها السطحي وبنيتها النموذجية. يتطابق موقع حفر تآكل خلع الخيوط (TD) المُلاحظة بعد نقش هيدروكسيد البوتاسيوم على الجزء الخلفي من الجهاز بشكل واضح مع موقع الحفر الفوقية قبل تحضير الجهاز، مما يُشير إلى أن تكوّن عيوب الحفر الفوقية مرتبط بخلع الخيوط.
عيوب الجزر
عيوب الجزرة هي عيب سطحي شائع في الطبقات الفوقية لـ 4H-SiC، ويظهر شكلها النموذجي في الشكل 4.5. تم الإبلاغ عن أن عيب الجزرة يتكون من تقاطع الصدوع الفرانكونية والمنشورية المتراصة الموجودة على المستوى القاعدي والمتصلة بخلع يشبه الخطوة. كما تم الإبلاغ عن أن تكوين عيوب الجزرة مرتبط بـ TSD في الركيزة. وجد Tsuchida H. et al. أن كثافة عيوب الجزرة في الطبقة الفوقية تتناسب طرديًا مع كثافة TSD في الركيزة. وبمقارنة صور مورفولوجيا السطح قبل وبعد النمو الفوقي، يمكن العثور على جميع عيوب الجزر المرصودة لتتوافق مع TSD في الركيزة. استخدم Wu H. et al. توصيف اختبار تشتت رامان ليجدوا أن عيوب الجزرة لا تحتوي على شكل بلورة 3C، ولكن تحتوي فقط على النمط المتعدد 4H-SiC.
تأثير العيوب المثلثية على خصائص جهاز MOSFET
الشكل 4.7 هو رسم بياني تكراري للتوزيع الإحصائي لخمس خصائص لجهاز يحتوي على عيوب مثلثية. الخط الأزرق المنقط هو الخط الفاصل لتدهور خصائص الجهاز، والخط الأحمر المنقط هو الخط الفاصل لفشل الجهاز. بالنسبة لفشل الجهاز، يكون للعيوب المثلثية تأثير كبير، ومعدل الفشل أكبر من 93٪. ويعزى ذلك بشكل رئيسي إلى تأثير العيوب المثلثية على خصائص التسرب العكسي للأجهزة. ما يصل إلى 93٪ من الأجهزة التي تحتوي على عيوب مثلثية لديها زيادة كبيرة في التسرب العكسي. بالإضافة إلى ذلك، فإن للعيوب المثلثية أيضًا تأثيرًا خطيرًا على خصائص تسرب البوابة، بمعدل تدهور يبلغ 60٪. كما هو موضح في الجدول 4.2، بالنسبة لتدهور جهد العتبة وتدهور خصائص الصمام الثنائي للجسم، فإن تأثير العيوب المثلثية صغير، ونسب التدهور هي 26٪ و33٪ على التوالي. من حيث التسبب في زيادة المقاومة، فإن تأثير العيوب المثلثية ضعيف، ونسبة التدهور حوالي 33٪.
تأثير عيوب الحفرة الفوقية على خصائص جهاز MOSFET
الشكل 4.8 هو رسم بياني تكراري للتوزيع الإحصائي لخمس خصائص لجهاز يحتوي على عيوب حفرة فوقية. الخط الأزرق المنقط هو الخط الفاصل لتدهور خصائص الجهاز، والخط الأحمر المنقط هو الخط الفاصل لفشل الجهاز. يمكن ملاحظة ذلك أن عدد الأجهزة التي تحتوي على عيوب حفرة فوقية في عينة SiC MOSFET يعادل عدد الأجهزة التي تحتوي على عيوب مثلثية. يختلف تأثير عيوب الحفرة فوقية على خصائص الجهاز عن تأثير العيوب المثلثية. من حيث فشل الجهاز، فإن معدل فشل الأجهزة التي تحتوي على عيوب حفرة فوقية هو 47٪ فقط. بالمقارنة مع العيوب المثلثية، فإن تأثير عيوب الحفرة فوقية على خصائص التسرب العكسي وخصائص تسرب البوابة للجهاز يضعف بشكل كبير، مع نسب تدهور تبلغ 53٪ و 38٪ على التوالي، كما هو موضح في الجدول 4.3. من ناحية أخرى، فإن تأثير عيوب الحفرة الظهارية على خصائص جهد العتبة وخصائص توصيل الصمام الثنائي للجسم والمقاومة أكبر من تأثير العيوب المثلثية، حيث تصل نسبة التدهور إلى 38%.
بشكل عام، يؤثر عيبان مورفولوجيان، وهما المثلثات والحفر الفوقية، بشكل كبير على فشل أجهزة MOSFET المصنوعة من كربيد السيليكون وتدهور خصائصها. يُعد وجود العيوب المثلثية الأكثر فتكًا، حيث يصل معدل فشلها إلى 93%، ويتجلى ذلك بشكل رئيسي في زيادة ملحوظة في التسرب العكسي للجهاز. أما الأجهزة التي تحتوي على عيوب حفر فوقية، فقد سجلت معدل فشل أقل بلغ 47%. ومع ذلك، فإن عيوب الحفر الفوقية لها تأثير أكبر على جهد العتبة للجهاز، وخصائص توصيل الصمام الثنائي، ومقاومة التشغيل، مقارنةً بالعيوب المثلثية.
وقت النشر: ١٦ أبريل ٢٠٢٤