Difetto triangolare
I difetti triangolari sono i difetti morfologici più critici negli strati epitassiali di SiC. Numerosi studi in letteratura hanno dimostrato che la formazione di difetti triangolari è correlata alla forma cristallina 3C. Tuttavia, a causa dei diversi meccanismi di crescita, la morfologia di molti difetti triangolari sulla superficie dello strato epitassiale è piuttosto variabile. Può essere approssimativamente suddivisa nelle seguenti tipologie:
(1) Sono presenti difetti triangolari con particelle di grandi dimensioni nella parte superiore
Questo tipo di difetto triangolare presenta una grande particella sferica nella parte superiore, che potrebbe essere causata dalla caduta di oggetti durante il processo di crescita. Scendendo da questo vertice, si può osservare una piccola area triangolare con una superficie ruvida. Ciò è dovuto al fatto che, durante il processo epitassiale, nell'area triangolare si formano successivamente due diversi strati di 3C-SiC, di cui il primo strato si nuclea all'interfaccia e cresce attraverso il flusso di crescita a gradini del 4H-SiC. Man mano che lo spessore dello strato epitassiale aumenta, il secondo strato di politipo 3C si nuclea e cresce in cavità triangolari più piccole, ma il gradino di crescita 4H non ricopre completamente l'area del politipo 3C, rendendo l'area a solco a V del 3C-SiC ancora chiaramente visibile.
(2) Sono presenti piccole particelle nella parte superiore e difetti triangolari con superficie ruvida
Le particelle ai vertici di questo tipo di difetto triangolare sono molto più piccole, come mostrato nella Figura 4.2. La maggior parte dell'area triangolare è ricoperta dal flusso a gradini del 4H-SiC, ovvero l'intero strato di 3C-SiC è completamente inglobato sotto lo strato di 4H-SiC. Sulla superficie del difetto triangolare sono visibili solo i gradini di crescita del 4H-SiC, ma questi gradini sono molto più grandi dei gradini di crescita cristallina convenzionali del 4H.
(3) Difetti triangolari con superficie liscia
Questo tipo di difetto triangolare presenta una morfologia superficiale liscia, come mostrato nella Figura 4.3. Per tali difetti triangolari, lo strato di 3C-SiC è ricoperto dal flusso a gradini di 4H-SiC, e la forma cristallina 4H sulla superficie diventa più fine e liscia.
Difetti di pitting epitassiale
Le cavità epitassiali (Pits) sono uno dei difetti morfologici superficiali più comuni, e la loro morfologia superficiale tipica e il profilo strutturale sono mostrati nella Figura 4.4. La posizione delle cavità di corrosione da dislocazione filettata (TD) osservate dopo l'attacco con KOH sul retro del dispositivo presenta una chiara corrispondenza con la posizione delle cavità epitassiali prima della preparazione del dispositivo, indicando che la formazione di difetti di cavità epitassiali è correlata alle dislocazioni filettate.
difetti delle carote
I difetti a carota sono un difetto superficiale comune negli strati epitassiali di 4H-SiC e la loro morfologia tipica è mostrata nella Figura 4.5. Si ritiene che il difetto a carota si formi dall'intersezione di difetti di impilamento franconi e prismatici situati sul piano basale, collegati da dislocazioni a gradino. È stato anche riportato che la formazione di difetti a carota è correlata alla presenza di difetti di impilamento trifase (TSD) nel substrato. Tsuchida H. et al. hanno scoperto che la densità dei difetti a carota nello strato epitassiale è proporzionale alla densità di TSD nel substrato. Confrontando le immagini della morfologia superficiale prima e dopo la crescita epitassiale, si può constatare che tutti i difetti a carota osservati corrispondono alla presenza di TSD nel substrato. Wu H. et al. hanno utilizzato la caratterizzazione mediante spettroscopia Raman per scoprire che i difetti a carota non contenevano la forma cristallina 3C, ma solo il politipo 4H-SiC.
Effetto dei difetti triangolari sulle caratteristiche dei dispositivi MOSFET
La Figura 4.7 mostra un istogramma della distribuzione statistica di cinque caratteristiche di un dispositivo contenente difetti triangolari. La linea tratteggiata blu rappresenta la linea di demarcazione per il degrado delle caratteristiche del dispositivo, mentre la linea tratteggiata rossa rappresenta la linea di demarcazione per il guasto del dispositivo. Per quanto riguarda il guasto del dispositivo, i difetti triangolari hanno un impatto significativo, con un tasso di guasto superiore al 93%. Ciò è principalmente attribuibile all'influenza dei difetti triangolari sulle caratteristiche di corrente di dispersione inversa dei dispositivi. Fino al 93% dei dispositivi contenenti difetti triangolari presenta una corrente di dispersione inversa notevolmente aumentata. Inoltre, i difetti triangolari hanno anche un grave impatto sulle caratteristiche di corrente di dispersione del gate, con un tasso di degrado del 60%. Come mostrato nella Tabella 4.2, per il degrado della tensione di soglia e il degrado delle caratteristiche del diodo di corpo, l'impatto dei difetti triangolari è ridotto, con percentuali di degrado rispettivamente del 26% e del 33%. In termini di aumento della resistenza di conduzione, l'impatto dei difetti triangolari è debole, con un tasso di degrado di circa il 33%.
Effetto dei difetti di pitting epitassiale sulle caratteristiche dei dispositivi MOSFET
La Figura 4.8 mostra un istogramma della distribuzione statistica di cinque caratteristiche di un dispositivo contenente difetti di tipo epitassiale. La linea tratteggiata blu rappresenta la linea di demarcazione per il degrado delle caratteristiche del dispositivo, mentre la linea tratteggiata rossa rappresenta la linea di demarcazione per il guasto del dispositivo. Da ciò si evince che il numero di dispositivi contenenti difetti di tipo epitassiale nel campione di MOSFET in SiC è equivalente al numero di dispositivi contenenti difetti triangolari. L'impatto dei difetti di tipo epitassiale sulle caratteristiche del dispositivo è diverso da quello dei difetti triangolari. In termini di guasti, il tasso di guasto dei dispositivi contenenti difetti di tipo epitassiale è solo del 47%. Rispetto ai difetti triangolari, l'impatto dei difetti di tipo epitassiale sulle caratteristiche di corrente di dispersione inversa e sulle caratteristiche di corrente di dispersione del gate del dispositivo è significativamente ridotto, con tassi di degrado rispettivamente del 53% e del 38%, come mostrato nella Tabella 4.3. D'altro canto, l'impatto dei difetti di tipo pitting epitassiale sulle caratteristiche della tensione di soglia, sulle caratteristiche di conduzione del diodo di corpo e sulla resistenza di conduzione è maggiore di quello dei difetti triangolari, con un tasso di degradazione che raggiunge il 38%.
In generale, due difetti morfologici, ovvero i triangoli e le cavità epitassiali, hanno un impatto significativo sul guasto e sul degrado delle caratteristiche dei dispositivi MOSFET in SiC. La presenza di difetti triangolari è la più critica, con un tasso di guasto che raggiunge il 93%, manifestandosi principalmente come un aumento significativo della corrente di dispersione inversa del dispositivo. I dispositivi contenenti difetti di cavità epitassiali presentano un tasso di guasto inferiore, pari al 47%. Tuttavia, i difetti di cavità epitassiali hanno un impatto maggiore sulla tensione di soglia, sulle caratteristiche di conduzione del diodo di corpo e sulla resistenza di conduzione del dispositivo rispetto ai difetti triangolari.
Data di pubblicazione: 16 aprile 2024