Defeito triangular
Os defeitos triangulares são os defeitos morfológicos mais críticos em camadas epitaxiais de SiC. Numerosos trabalhos na literatura demonstram que a formação de defeitos triangulares está relacionada à forma cristalina 3C. No entanto, devido a diferentes mecanismos de crescimento, a morfologia de muitos defeitos triangulares na superfície da camada epitaxial é bastante diferente. Ela pode ser dividida, de forma geral, nos seguintes tipos:
(1) Existem defeitos triangulares com partículas grandes no topo
Este tipo de defeito triangular apresenta uma grande partícula esférica no topo, que pode ter sido causada pela queda de objetos durante o processo de crescimento. Uma pequena área triangular com superfície rugosa pode ser observada abaixo desse vértice. Isso ocorre porque, durante o processo epitaxial, duas camadas diferentes de 3C-SiC são formadas sucessivamente na área triangular. A primeira camada nucleia na interface e cresce através do fluxo de degraus de 4H-SiC. À medida que a espessura da camada epitaxial aumenta, a segunda camada do politipo 3C nucleia e cresce em cavidades triangulares menores, mas o degrau de crescimento de 4H não cobre completamente a área do politipo 3C, tornando a área do sulco em forma de V do 3C-SiC ainda claramente visível.
(2) Existem pequenas partículas no topo e defeitos triangulares com superfície rugosa.
As partículas nos vértices desse tipo de defeito triangular são muito menores, como mostrado na Figura 4.2. E a maior parte da área triangular é coberta pelo fluxo de degraus do 4H-SiC, ou seja, toda a camada de 3C-SiC está completamente imersa sob a camada de 4H-SiC. Apenas os degraus de crescimento do 4H-SiC podem ser vistos na superfície do defeito triangular, mas esses degraus são muito maiores do que os degraus de crescimento convencionais do cristal 4H.
(3) Defeitos triangulares com superfície lisa
Esse tipo de defeito triangular apresenta uma morfologia de superfície lisa, como mostrado na Figura 4.3. Para tais defeitos triangulares, a camada de 3C-SiC é coberta pelo fluxo escalonado de 4H-SiC, e a forma cristalina 4H na superfície cresce mais fina e lisa.
Defeitos de cavidade epitaxial
Os pites epitaxiais (pits) são um dos defeitos de morfologia superficial mais comuns, e sua morfologia superficial típica e contorno estrutural são mostrados na Figura 4.4. A localização dos pites de corrosão por deslocamento de rosca (TD) observados após o ataque com KOH na parte traseira do dispositivo tem uma clara correspondência com a localização dos pites epitaxiais antes da preparação do dispositivo, indicando que a formação de defeitos de pites epitaxiais está relacionada a deslocamentos de rosca.
defeitos da cenoura
Os defeitos em forma de cenoura são defeitos superficiais comuns em camadas epitaxiais de 4H-SiC, e sua morfologia típica é mostrada na Figura 4.5. Relata-se que o defeito em forma de cenoura é formado pela interseção de falhas de empilhamento franconianas e prismáticas localizadas no plano basal, conectadas por deslocamentos em forma de degrau. Também foi relatado que a formação de defeitos em forma de cenoura está relacionada à distribuição de tamanho de discordâncias (TSD) no substrato. Tsuchida H. et al. descobriram que a densidade de defeitos em forma de cenoura na camada epitaxial é proporcional à densidade de TSD no substrato. E, comparando as imagens da morfologia da superfície antes e depois do crescimento epitaxial, todos os defeitos em forma de cenoura observados correspondem à TSD no substrato. Wu H. et al. utilizaram a caracterização por espalhamento Raman para descobrir que os defeitos em forma de cenoura não continham a forma cristalina 3C, mas apenas o politipo 4H-SiC.
Efeito de defeitos triangulares nas características do dispositivo MOSFET
A Figura 4.7 é um histograma da distribuição estatística de cinco características de um dispositivo contendo defeitos triangulares. A linha pontilhada azul representa a linha divisória para a degradação das características do dispositivo, e a linha pontilhada vermelha representa a linha divisória para a falha do dispositivo. Para a falha do dispositivo, os defeitos triangulares têm um grande impacto, com uma taxa de falha superior a 93%. Isso se deve principalmente à influência dos defeitos triangulares nas características de fuga reversa dos dispositivos. Até 93% dos dispositivos contendo defeitos triangulares apresentam um aumento significativo na fuga reversa. Além disso, os defeitos triangulares também têm um impacto significativo nas características de fuga de porta, com uma taxa de degradação de 60%. Como mostrado na Tabela 4.2, para a degradação da tensão de limiar e a degradação das características do diodo de corpo, o impacto dos defeitos triangulares é pequeno, com proporções de degradação de 26% e 33%, respectivamente. Em termos de aumento da resistência de condução, o impacto dos defeitos triangulares é fraco, com uma taxa de degradação de cerca de 33%.
Efeito de defeitos de cavidades epitaxiais nas características do dispositivo MOSFET
A Figura 4.8 é um histograma da distribuição estatística de cinco características de um dispositivo contendo defeitos de cavidade epitaxial. A linha pontilhada azul representa a linha divisória para a degradação das características do dispositivo, e a linha pontilhada vermelha representa a linha divisória para a falha do dispositivo. Pode-se observar que o número de dispositivos contendo defeitos de cavidade epitaxial na amostra de MOSFET de SiC é equivalente ao número de dispositivos contendo defeitos triangulares. O impacto dos defeitos de cavidade epitaxial nas características do dispositivo é diferente do impacto dos defeitos triangulares. Em termos de falha do dispositivo, a taxa de falha dos dispositivos contendo defeitos de cavidade epitaxial é de apenas 47%. Comparado com os defeitos triangulares, o impacto dos defeitos de cavidade epitaxial nas características de fuga reversa e nas características de fuga de porta do dispositivo é significativamente menor, com taxas de degradação de 53% e 38%, respectivamente, conforme mostrado na Tabela 4.3. Por outro lado, o impacto dos defeitos de cavidade epitaxial nas características de tensão de limiar, nas características de condução do diodo de corpo e na resistência de condução é maior do que o dos defeitos triangulares, com a taxa de degradação atingindo 38%.
De modo geral, dois defeitos morfológicos, nomeadamente triângulos e cavidades epitaxiais, têm um impacto significativo na falha e na degradação das características dos dispositivos MOSFET de SiC. A presença de defeitos triangulares é a mais crítica, com uma taxa de falha de até 93%, manifestando-se principalmente como um aumento significativo na corrente de fuga reversa do dispositivo. Os dispositivos com defeitos de cavidades epitaxiais apresentaram uma taxa de falha menor, de 47%. No entanto, os defeitos de cavidades epitaxiais têm um impacto maior na tensão de limiar, nas características de condução do diodo de corpo e na resistência de condução do dispositivo do que os defeitos triangulares.
Data da publicação: 16 de abril de 2024