Driehoekig defect
Driehoekige defecten zijn de meest fatale morfologische defecten in epitaxiale SiC-lagen. Talrijke literatuurstudies tonen aan dat de vorming van driehoekige defecten verband houdt met de 3C-kristalvorm. Vanwege de verschillende groeimechanismen verschilt de morfologie van veel driehoekige defecten aan het oppervlak van de epitaxiale laag echter aanzienlijk. Deze 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. Onder dit hoekpunt is een klein driehoekig gebied met een ruw oppervlak te zien. Dit komt doordat tijdens het epitaxiale proces twee verschillende 3C-SiC-lagen achter elkaar worden gevormd in het driehoekige gebied. De eerste laag ontstaat aan het grensvlak en groeit via de 4H-SiC-stapstroom. Naarmate de dikte van de epitaxiale laag toeneemt, ontstaat de tweede laag van het 3C-polytype en groeit deze in kleinere driehoekige putjes. De 4H-groeistap bedekt het 3C-polytypegebied echter niet volledig, waardoor het V-vormige groefgebied van 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. Het grootste deel van het driehoekige gebied is bedekt met de stapstroom van 4H-SiC, dat wil zeggen dat de gehele 3C-SiC-laag volledig is ingebed onder de 4H-SiC-laag. 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 vloei van 4H-SiC, en de 4H-kristalvorm op het oppervlak groeit fijner en gladder.
Epitaxiale putdefecten
Epitaxiale putjes (Pits) behoren tot de meest voorkomende oppervlaktemorfologische defecten, en hun typische oppervlaktemorfologie en structurele contouren worden weergegeven in figuur 4.4. De locatie van de door draaddislocaties (TD) veroorzaakte corrosieputjes die na KOH-etsen op de achterkant van het apparaat werden waargenomen, komt duidelijk overeen met de locatie van de epitaxiale putjes vóór de preparatie van het apparaat. Dit wijst erop dat de vorming van epitaxiale putjes verband houdt met draaddislocaties.
worteldefecten
Wortelvormige defecten zijn een veelvoorkomend oppervlaktedefect in epitaxiale 4H-SiC-lagen, en hun typische morfologie wordt weergegeven in figuur 4.5. Er wordt gerapporteerd dat wortelvormige defecten ontstaan door de kruising van Frankische en prismatische stapelfouten in het basale vlak, verbonden door trapvormige dislocaties. Er is ook gerapporteerd dat de vorming van wortelvormige defecten verband houdt met TSD (topologische stapelingsdefecten) in het substraat. Tsuchida H. et al. ontdekten dat de dichtheid van wortelvormige defecten in de epitaxiale laag evenredig is met de dichtheid van TSD in het substraat. Door de oppervlaktemorfologiebeelden vóór en na de epitaxiale groei te vergelijken, konden alle waargenomen wortelvormige defecten worden gekoppeld aan TSD in het substraat. Wu H. et al. gebruikten Raman-verstrooiingstests om vast te stellen dat de wortelvormige defecten geen 3C-kristalvorm bevatten, maar alleen het 4H-SiC-polytype.
Effect van driehoekige defecten op de eigenschappen van MOSFET-apparaten
Figuur 4.7 is een histogram van de statistische verdeling van vijf kenmerken van een apparaat met driehoekige defecten. De blauwe stippellijn geeft de scheidingslijn aan voor de degradatie van de apparaatkenmerken, en de rode stippellijn voor het uitvallen van het apparaat. Bij het uitvallen van apparaten hebben driehoekige defecten een grote impact, met een uitvalpercentage van meer dan 93%. Dit is voornamelijk te wijten aan de invloed van driehoekige defecten op de lekstroomkarakteristieken van de apparaten. Tot 93% van de apparaten met driehoekige defecten vertoont een significant verhoogde lekstroom. Daarnaast hebben de driehoekige defecten ook een ernstige impact op de lekstroomkarakteristieken van de gate, met een degradatiepercentage van 60%. Zoals weergegeven in tabel 4.2, is de impact van driehoekige defecten op de degradatie van de drempelspanning en de degradatie van de bodydiodekarakteristiek gering, met respectievelijk 26% en 33%. Wat betreft de toename van de aanweerstand is de impact van driehoekige defecten zwak, met een degradatiepercentage van ongeveer 33%.
Effect van epitaxiale putdefecten op de eigenschappen van MOSFET-apparaten
Figuur 4.8 is een histogram van de statistische verdeling van vijf kenmerken van een apparaat met epitaxiale putdefecten. De blauwe stippellijn is de scheidingslijn voor de degradatie van de apparaatkenmerken, en de rode stippellijn is de scheidingslijn voor apparaatuitval. Hieruit blijkt dat het aantal apparaten met epitaxiale putdefecten in het SiC MOSFET-monster gelijk is aan het aantal apparaten met driehoekige defecten. De impact van epitaxiale putdefecten op de apparaatkenmerken verschilt van die van driehoekige defecten. Wat betreft apparaatuitval is het uitvalpercentage van apparaten met epitaxiale putdefecten slechts 47%. Vergeleken met driehoekige defecten is de impact van epitaxiale putdefecten op de lekstroom in omgekeerde richting en de lekstroom door de gate van het apparaat aanzienlijk zwakker, met degradatiepercentages van respectievelijk 53% en 38%, zoals weergegeven in tabel 4.3. Daarentegen is de impact van epitaxiale putdefecten op de drempelspanningskarakteristieken, de geleidingskarakteristieken van de diode en de aanweerstand groter dan die van driehoekige defecten, waarbij de degradatieverhouding oploopt tot 38%.
Over het algemeen hebben twee morfologische defecten, namelijk driehoekige defecten en epitaxiale putjes, een aanzienlijke invloed op het uitvallen en de karakteristiek degraderen van SiC MOSFET-apparaten. De aanwezigheid van driehoekige defecten is het meest fataal, met een uitvalpercentage van maar liefst 93%, wat zich voornamelijk manifesteert als een significante toename van de lekstroom in omgekeerde richting. Apparaten met epitaxiale putjes hadden een lager uitvalpercentage van 47%. Epitaxiale putjes hebben echter een grotere invloed op de drempelspanning, de geleidingskarakteristieken van de bodydiode en de aanweerstand van het apparaat dan driehoekige defecten.
Geplaatst op: 16 april 2024