آثار الركيزة SiC والمواد الفوقي على خصائص جهاز MOSFET

خلل ثلاثي

العيوب المثلثية هي العيوب المورفولوجية الأكثر خطورة في الطبقات الفوقي SiC. أظهر عدد كبير من التقارير الأدبية أن تكوين العيوب المثلثية يرتبط بالشكل البلوري 3C. ومع ذلك، نظرًا لاختلاف آليات النمو، فإن شكل العديد من العيوب المثلثية على سطح الطبقة الفوقي يختلف تمامًا. ويمكن تقسيمها تقريبًا إلى الأنواع التالية:

(1) توجد عيوب مثلثة ذات جزيئات كبيرة في الأعلى

يحتوي هذا النوع من العيب المثلثي على جسيم كروي كبير في الأعلى، والذي قد يكون ناجما عن سقوط الأجسام أثناء عملية النمو. يمكن ملاحظة منطقة مثلثة صغيرة ذات سطح خشن من هذه القمة إلى الأسفل. ويرجع ذلك إلى حقيقة أنه أثناء العملية الفوقي، يتم تشكيل طبقتين مختلفتين من 3C-SiC على التوالي في المنطقة المثلثة، حيث يتم إنشاء الطبقة الأولى منها في الواجهة وتنمو من خلال تدفق خطوة 4H-SiC. مع زيادة سمك الطبقة الفوقية، فإن الطبقة الثانية من الأنواع المتعددة 3C تنوى وتنمو في حفر مثلثة أصغر، لكن خطوة النمو 4H لا تغطي منطقة الأنواع المتعددة 3C بالكامل، مما يجعل منطقة الأخدود على شكل حرف V لـ 3C-SiC لا تزال واضحة مرئي

(2) توجد جزيئات صغيرة في الأعلى وعيوب مثلثة ذات سطح خشن

تكون الجسيمات الموجودة عند قمم هذا النوع من العيوب المثلثية أصغر بكثير، كما هو موضح في الشكل 4.2. ومعظم المساحة المثلثية مغطاة بالتدفق التدريجي لـ 4H-SiC، أي أن طبقة 3C-SiC بأكملها مدمجة بالكامل تحت طبقة 4H-SiC. يمكن فقط رؤية خطوات نمو 4H-SiC على سطح العيب الثلاثي، ولكن هذه الخطوات أكبر بكثير من خطوات نمو بلورات 4H التقليدية.

(3) عيوب مثلثة ذات سطح أملس

هذا النوع من العيوب المثلثية له شكل سطحي أملس، كما هو موضح في الشكل 4.3. بالنسبة لمثل هذه العيوب المثلثة، تتم تغطية طبقة 3C-SiC بواسطة التدفق التدريجي لـ 4H-SiC، ويصبح شكل بلورة 4H على السطح أكثر دقة وأكثر سلاسة.

عيوب الحفرة الفوقية

تعد الحفر الفوقي (Pits) واحدة من العيوب المورفولوجية السطحية الأكثر شيوعًا، ويظهر شكلها السطحي النموذجي ومخططها الهيكلي في الشكل 4.4. موقع حفر التآكل (TD) التي تمت ملاحظتها بعد حفر KOH على الجزء الخلفي من الجهاز له توافق واضح مع موقع الحفر الفوقي قبل إعداد الجهاز، مما يشير إلى أن تكوين عيوب الحفرة الفوقي يرتبط بخلع الخيوط.

عيوب الجزرة

عيوب الجزر هي عيب سطحي شائع في الطبقات الفوقي 4H-SiC، ويظهر شكلها النموذجي في الشكل 4.5. تم الإبلاغ عن أن عيب الجزرة يتكون من تقاطع أخطاء التراص الفرانكونية والمنشورية الموجودة على المستوى القاعدي المتصل عن طريق الاضطرابات الشبيهة بالخطوات. تم الإبلاغ أيضًا عن أن تكوين عيوب الجزرة يرتبط بـ TSD في الركيزة. تسوتشيدا ه وآخرون. وجد أن كثافة عيوب الجزر في الطبقة الفوقي تتناسب مع كثافة TSD في الركيزة. ومن خلال مقارنة صور التشكل السطحي قبل وبعد النمو الفوقي، يمكن العثور على جميع عيوب الجزر المرصودة لتتوافق مع TSD في الركيزة. وو ه وآخرون. استخدم توصيف اختبار تشتت رامان ليجد أن عيوب الجزرة لا تحتوي على الشكل البلوري 3C، ولكن فقط النوع المتعدد 4H-SiC.

تأثير العيوب المثلثية على خصائص جهاز MOSFET

الشكل 4.7 عبارة عن رسم بياني للتوزيع الإحصائي لخمس خصائص لجهاز يحتوي على عيوب مثلثية. الخط المنقط الأزرق هو الخط الفاصل لتدهور خصائص الجهاز، والخط المنقط الأحمر هو الخط الفاصل لفشل الجهاز. بالنسبة لفشل الجهاز، فإن العيوب الثلاثية لها تأثير كبير، ونسبة 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 أدت إلى زيادة كبيرة في التسرب العكسي. بالإضافة إلى ذلك، فإن العيوب المثلثية لها أيضًا تأثير خطير على خصائص تسرب البوابة، حيث يصل معدل التحلل إلى 60%. كما هو مبين في الجدول 4.2، بالنسبة لتدهور جهد العتبة وتدهور خصائص الصمام الثنائي في الجسم، يكون تأثير العيوب المثلثية صغيرًا، وتكون نسب التحلل 26% و33% على التوالي. ومن ناحية التسبب في زيادة المقاومة، فإن تأثير العيوب المثلثية ضعيف، ونسبة التحلل حوالي 33%.

تأثير عيوب الحفرة الفوقية على خصائص جهاز MOSFET

الشكل 4.8 هو رسم بياني للتوزيع الإحصائي لخمس خصائص لجهاز يحتوي على عيوب الحفرة الفوقي. الخط المنقط الأزرق هو الخط الفاصل لتدهور خصائص الجهاز، والخط المنقط الأحمر هو الخط الفاصل لفشل الجهاز. يمكن أن نرى من هذا أن عدد الأجهزة التي تحتوي على عيوب الحفرة الفوقية في عينة SiC MOSFET يعادل عدد الأجهزة التي تحتوي على عيوب مثلثية. يختلف تأثير عيوب الحفرة الفوقي على خصائص الجهاز عن تأثير العيوب المثلثية. من حيث فشل الأجهزة، فإن معدل فشل الأجهزة التي تحتوي على عيوب الحفرة الفوقية هو 47٪ فقط. بالمقارنة مع العيوب المثلثية، فإن تأثير عيوب الحفرة الفوقية على خصائص التسرب العكسي وخصائص تسرب البوابة للجهاز يضعف بشكل كبير، مع نسب تحلل تبلغ 53% و38% على التوالي، كما هو موضح في الجدول 4.3. من ناحية أخرى، فإن تأثير عيوب الحفرة الفوقية على خصائص جهد العتبة، وخصائص توصيل الصمام الثنائي للجسم والمقاومة أكبر من تأثير العيوب المثلثية، حيث تصل نسبة التحلل إلى 38٪.

بشكل عام، هناك عيبان شكليان، وهما المثلثات والحفر الفوقي، لهما تأثير كبير على الفشل والتدهور المميز لأجهزة SiC MOSFET. يعد وجود العيوب المثلثية هو الأكثر خطورة، حيث يصل معدل الفشل إلى 93%، ويتجلى بشكل رئيسي في زيادة كبيرة في التسرب العكسي للجهاز. الأجهزة التي تحتوي على عيوب الحفرة الفوقية كان معدل فشلها أقل بنسبة 47٪. ومع ذلك، فإن عيوب الحفرة الفوقي لها تأثير أكبر على جهد عتبة الجهاز وخصائص توصيل الصمام الثنائي للجسم والمقاومة مقارنة بالعيوب المثلثية.