Driehoekig defect
Driehoekige defecten zijn de meest fatale morfologische defecten in epitaxiale lagen van SiC. Een groot aantal literatuurrapporten heeft aangetoond dat de vorming van driehoekige defecten verband houdt met de 3C-kristalvorm. Door verschillende groeimechanismen is de morfologie van veel driehoekige defecten op het oppervlak van de epitaxiale laag echter aanzienlijk verschillend. Ze kunnen grofweg worden onderverdeeld in de volgende typen:
(1) Er zijn driehoekige defecten met grote deeltjes aan de bovenkant
Dit type driehoekig defect heeft een groot bolvormig deeltje aan de bovenkant, mogelijk veroorzaakt door vallende objecten tijdens het groeiproces. Vanuit dit hoekpunt is een klein driehoekig gebied met een ruw oppervlak zichtbaar. Dit komt doordat tijdens het epitaxiale proces twee verschillende 3C-SiC-lagen achtereenvolgens in het driehoekige gebied worden gevormd, waarvan de eerste laag zich aan de grensvlaklaag vormt en groeit via de 4H-SiC-stapstroom. Naarmate de dikte van de epitaxiale laag toeneemt, vormt de tweede laag van het 3C-polytype zich en groeit in kleinere driehoekige putjes, maar de 4H-groeistap bedekt het 3C-polytypegebied niet volledig, waardoor het V-vormige groefgebied van het 3C-SiC nog steeds duidelijk zichtbaar is.
(2) Er zijn kleine deeltjes aan de bovenkant en driehoekige defecten met een ruw oppervlak
De deeltjes op de hoekpunten van dit type driehoekig defect zijn veel kleiner, zoals weergegeven in figuur 4.2. Bovendien wordt het grootste deel van het driehoekige oppervlak bedekt door de stapsgewijze stroming van 4H-SiC. Dit betekent dat de volledige 3C-SiC-laag volledig onder de 4H-SiC-laag is ingebed. Alleen de groeistappen van 4H-SiC zijn zichtbaar op het oppervlak van het driehoekige defect, maar deze stappen zijn veel groter dan de conventionele groeistappen van 4H-kristallen.
(3) Driehoekige defecten met een glad oppervlak
Dit type driehoekig defect heeft een gladde oppervlaktemorfologie, zoals weergegeven in figuur 4.3. Bij dergelijke driehoekige defecten wordt de 3C-SiC-laag bedekt door de stapsgewijze stroming van 4H-SiC, waardoor de 4H-kristalvorm op het oppervlak fijner en gladder wordt.
Epitaxiale putdefecten
Epitaxiale putjes (Pits) zijn een van de meest voorkomende defecten in de oppervlaktemorfologie. Hun typische oppervlaktemorfologie en structurele omtrek worden weergegeven in Afbeelding 4.4. De locatie van de corrosieputjes door schroefdraaddislocaties (TD) die na KOH-etsing op de achterkant van het apparaat zijn waargenomen, komt duidelijk overeen met de locatie van de epitaxiale putjes vóór de voorbereiding van het apparaat. Dit geeft aan dat de vorming van epitaxiale putdefecten verband houdt met schroefdraaddislocaties.
worteldefecten
Worteldefecten zijn een veelvoorkomend oppervlaktedefect in epitaxiale lagen van 4H-SiC. Hun typische morfologie is weergegeven in figuur 4.5. Het worteldefect wordt gevormd door de kruising van Frankische en prismatische stapelfouten op het basisvlak, verbonden door trapvormige dislocaties. Er is ook gerapporteerd dat de vorming van worteldefecten verband houdt met TSD in het substraat. Tsuchida H. et al. ontdekten dat de dichtheid van worteldefecten in de epitaxiale laag evenredig is met de dichtheid van TSD in het substraat. Door de beelden van de oppervlaktemorfologie vóór en na epitaxiale groei te vergelijken, bleken alle waargenomen worteldefecten overeen te komen met de TSD in het substraat. Wu H. et al. gebruikten Raman-verstrooiingstestkarakterisering om te ontdekken dat de worteldefecten niet de 3C-kristalvorm bevatten, maar alleen het 4H-SiC-polytype.
Effect van driehoekige defecten op de kenmerken van MOSFET-apparaten
Figuur 4.7 toont een histogram van de statistische verdeling van vijf kenmerken van een apparaat met driehoekige defecten. De blauwe stippellijn is de scheidingslijn voor degradatie van de kenmerken van het apparaat en de rode stippellijn is de scheidingslijn voor apparaatfalen. Driehoekige defecten hebben een grote impact op apparaatfalen en het uitvalpercentage is hoger dan 93%. Dit wordt voornamelijk toegeschreven aan de invloed van driehoekige defecten op de sperstroom-lekkarakteristieken van apparaten. Tot 93% van de apparaten met driehoekige defecten heeft een significant verhoogde sperstroom-lek. Bovendien hebben driehoekige defecten ook een ernstige impact op de gate-lekkarakteristieken, met een degradatiepercentage van 60%. Zoals weergegeven in tabel 4.2, is de impact van driehoekige defecten op degradatie van de drempelspanning en degradatie van de lichaamsdiodekarakteristiek klein en bedragen de degradatiepercentages respectievelijk 26% en 33%. Wat betreft het veroorzaken van een toename van de aan-weerstand, is de impact van driehoekige defecten zwak en bedraagt de degradatieratio ongeveer 33%.
Effect van epitaxiale putdefecten op de kenmerken van MOSFET-apparaten
Figuur 4.8 toont een histogram van de statistische verdeling van vijf kenmerken van een component met epitaxiale putdefecten. De blauwe stippellijn is de scheidingslijn voor degradatie van de componentkarakteristieken, en de rode stippellijn is de scheidingslijn voor het falen van de component. Hieruit blijkt dat het aantal componenten met epitaxiale putdefecten in de SiC MOSFET-sample gelijk is aan het aantal componenten met driehoekige defecten. De impact van epitaxiale putdefecten op de componentkarakteristieken verschilt van die van driehoekige defecten. Wat betreft het falen van componenten, bedraagt het falingspercentage van componenten met epitaxiale putdefecten slechts 47%. Vergeleken met driehoekige defecten is de impact van epitaxiale putdefecten op de omgekeerde lekkagekarakteristieken en gate-lekkagekarakteristieken van de component aanzienlijk verminderd, met degradatiepercentages van respectievelijk 53% en 38%, zoals weergegeven in tabel 4.3. Aan de andere kant is de impact van epitaxiale putdefecten op de drempelspanningskarakteristieken, de geleidingskarakteristieken van de bodydiode en de aan-weerstand groter dan die van driehoekige defecten, waarbij de degradatieverhouding 38% bedraagt.
Over het algemeen hebben twee morfologische defecten, namelijk driehoeken en epitaxiale putjes, een significante impact op het falen en de karakteristieke degradatie van SiC MOSFET-componenten. Het bestaan van driehoekige defecten is het meest fataal, met een faalpercentage tot wel 93%, wat zich voornamelijk manifesteert in een significante toename van de omgekeerde lekstroom van de component. Componenten met epitaxiale putjes hadden een lager faalpercentage van 47%. Epitaxiale putjes hebben echter een grotere impact op de drempelspanning, de geleidingseigenschappen van de bodydiode en de aan-weerstand van de component dan driehoekige defecten.
Plaatsingstijd: 16-04-2024