اثرات بستر SiC و مواد اپیتاکسیال بر ویژگی‌های دستگاه ماسفت

نقص مثلثی

عیوب مثلثی کشنده ترین عیوب مورفولوژیکی در لایه های اپیتاکسیال SiC هستند. تعداد زیادی از گزارش های متون نشان داده اند که تشکیل عیوب مثلثی به فرم کریستال 3C مربوط می شود. با این حال، به دلیل مکانیسم های رشد متفاوت، مورفولوژی بسیاری از عیوب مثلثی در سطح لایه همپایی کاملاً متفاوت است. به طور کلی می توان آن را به انواع زیر تقسیم کرد:

(1) عیوب مثلثی با ذرات بزرگ در بالا وجود دارد

این نوع نقص مثلثی دارای یک ذره کروی بزرگ در بالا است که ممکن است در اثر سقوط اجسام در طول فرآیند رشد ایجاد شود. از این راس یک ناحیه مثلثی کوچک با سطح ناهموار به سمت پایین قابل مشاهده است. این به دلیل این واقعیت است که در طول فرآیند همپایی، دو لایه مختلف 3C-SiC به صورت متوالی در ناحیه مثلثی شکل تشکیل می‌شوند که لایه اول در سطح مشترک هسته‌دار شده و از طریق جریان پله 4H-SiC رشد می‌کند. با افزایش ضخامت لایه اپیتاکسیال، لایه دوم پلی تایپ 3C هسته می شود و در گودال های مثلثی کوچکتر رشد می کند، اما مرحله رشد 4H به طور کامل ناحیه پلی تایپ 3C را پوشش نمی دهد، و باعث می شود که ناحیه شیار V شکل 3C-SiC هنوز به وضوح مشخص شود. قابل مشاهده است

(2) ذرات کوچک در بالا و نقص مثلثی با سطح ناهموار وجود دارد

همانطور که در شکل 4.2 نشان داده شده است، ذرات در راس این نوع نقص مثلثی بسیار کوچکتر هستند. و بیشتر ناحیه مثلثی توسط جریان پله ای 4H-SiC پوشانده شده است، یعنی کل لایه 3C-SiC به طور کامل زیر لایه 4H-SiC تعبیه شده است. فقط مراحل رشد 4H-SiC را می توان در سطح نقص مثلثی مشاهده کرد، اما این مراحل بسیار بزرگتر از مراحل رشد کریستال 4H معمولی هستند.

(3) عیوب مثلثی با سطح صاف

این نوع نقص مثلثی دارای مورفولوژی سطح صاف است، همانطور که در شکل 4.3 نشان داده شده است. برای چنین نقص های مثلثی، لایه 3C-SiC توسط جریان پله ای 4H-SiC پوشانده می شود و شکل کریستال 4H روی سطح ریزتر و صاف تر می شود.

نقایص حفره ای اپیتاکسیال

گودال های همپایی (Pits) یکی از شایع ترین عیوب مورفولوژی سطح هستند و مورفولوژی سطح معمولی و طرح کلی ساختاری آنها در شکل 4.4 نشان داده شده است. محل گودال های خوردگی دررفتگی رزوه ای (TD) مشاهده شده پس از اچینگ KOH در پشت دستگاه، مطابقت واضحی با محل گودال های اپیتاکسیال قبل از آماده سازی دستگاه دارد که نشان می دهد ایجاد عیوب گودال همپایی مربوط به دررفتگی رزوه می باشد.

نقص هویج

نقایص هویج یک نقص سطحی رایج در لایه‌های اپیتاکسیال 4H-SiC است و مورفولوژی معمولی آنها در شکل 4.5 نشان داده شده است. گزارش شده است که نقص هویج توسط تقاطع گسل‌های انباشته فرانکونی و منشوری واقع در صفحه پایه که با نابجایی‌های پله‌مانند به هم متصل شده‌اند، ایجاد می‌شود. همچنین گزارش شده است که ایجاد عیوب هویج مربوط به TSD در بستر است. Tsuchida H. و همکاران. دریافتند که چگالی عیوب هویج در لایه اپیتاکسیال با چگالی TSD در بستر متناسب است. و با مقایسه تصاویر مورفولوژی سطح قبل و بعد از رشد اپیتاکسیال، همه عیوب هویج مشاهده شده را می توان یافت که مطابق با TSD در بستر هستند. وو اچ و همکاران از خصوصیات تست پراکندگی رامان برای یافتن اینکه عیوب هویج حاوی فرم کریستال 3C نیست، بلکه فقط دارای پلی‌تیپ 4H-SiC است، استفاده کرد.

تأثیر عیوب مثلثی بر ویژگی های دستگاه ماسفت

شکل 4.7 هیستوگرام توزیع آماری پنج ویژگی یک دستگاه حاوی عیوب مثلثی است. خط نقطه آبی خط تقسیم برای تخریب مشخصه دستگاه و خط نقطه قرمز خط تقسیم برای خرابی دستگاه است. برای خرابی دستگاه، عیوب مثلثی تاثیر زیادی دارد و میزان خرابی بیشتر از 93 درصد است. این عمدتا به تأثیر عیوب مثلثی بر ویژگی های نشتی معکوس دستگاه ها نسبت داده می شود. تا 93 درصد از دستگاه های حاوی عیوب مثلثی به طور قابل توجهی نشت معکوس را افزایش داده اند. علاوه بر این، عیوب مثلثی نیز با نرخ تخریب 60 درصد، تأثیر جدی بر ویژگی های نشت دروازه دارد. همانطور که در جدول 4.2 نشان داده شده است، برای تخریب ولتاژ آستانه و تخریب مشخصه دیود بدنه، تاثیر عیوب مثلثی کوچک است و نسبت تخریب به ترتیب 26% و 33% است. از نظر ایجاد افزایش در مقاومت، تاثیر عیوب مثلثی ضعیف است و نسبت تخریب حدود 33٪ است.

تأثیر عیوب گودال همپایی بر ویژگی‌های دستگاه ماسفت

شکل 4.8 یک هیستوگرام از توزیع آماری پنج ویژگی یک دستگاه حاوی عیوب حفره ای همپایه است. خط نقطه آبی خط تقسیم برای تخریب مشخصه دستگاه و خط نقطه قرمز خط تقسیم برای خرابی دستگاه است. از اینجا می توان دریافت که تعداد دستگاه های حاوی عیوب حفره ای اپیتاکسیال در نمونه ماسفت SiC معادل تعداد دستگاه های حاوی عیوب مثلثی است. تأثیر عیوب گودال همپایی بر ویژگی‌های دستگاه با عیوب مثلثی متفاوت است. از نظر خرابی دستگاه، میزان خرابی دستگاه های حاوی عیوب حفره ای اپیتاکسیال تنها 47 درصد است. در مقایسه با عیوب مثلثی، تأثیر عیوب گودال همپایی بر ویژگی‌های نشتی معکوس و ویژگی‌های نشت دروازه دستگاه به‌طور قابل‌توجهی تضعیف می‌شود، با نسبت‌های تخریب به ترتیب 53 و 38 درصد، همانطور که در جدول 4.3 نشان داده شده است. از سوی دیگر، تأثیر عیوب گودال همپایی بر ویژگی‌های ولتاژ آستانه، ویژگی‌های هدایت دیود بدنه و مقاومت روی بیشتر از عیوب مثلثی است که نسبت تخریب به 38 درصد می‌رسد.

به طور کلی، دو عیب مورفولوژیکی، یعنی مثلث ها و چاله های همپایی، تأثیر بسزایی در خرابی و تخریب مشخصه دستگاه های ماسفت SiC دارند. وجود عیوب مثلثی کشنده ترین است، با نرخ خرابی تا 93٪، عمدتاً به صورت افزایش قابل توجهی در نشت معکوس دستگاه آشکار می شود. دستگاه‌های حاوی نقص حفره‌ای اپیتاکسیال نرخ شکست کمتری 47 درصد داشتند. با این حال، عیوب گودال همپایی تأثیر بیشتری بر ولتاژ آستانه دستگاه، ویژگی‌های هدایت دیود بدنه و مقاومت روی دستگاه نسبت به عیوب مثلثی دارد.