MOSFET ઉપકરણ લાક્ષણિકતાઓ પર SiC સબસ્ટ્રેટ અને એપિટેક્સિયલ સામગ્રીની અસરો

ત્રિકોણાકાર ખામી

ત્રિકોણાકાર ખામી એ SiC એપિટેક્સિયલ સ્તરોમાં સૌથી ઘાતક મોર્ફોલોજિકલ ખામી છે. મોટી સંખ્યામાં સાહિત્ય અહેવાલો દર્શાવે છે કે ત્રિકોણાકાર ખામીની રચના 3C સ્ફટિક સ્વરૂપ સાથે સંબંધિત છે. જો કે, વિવિધ વૃદ્ધિ મિકેનિઝમ્સને લીધે, એપિટેક્સિયલ સ્તરની સપાટી પરના ઘણા ત્રિકોણાકાર ખામીઓનું મોર્ફોલોજી તદ્દન અલગ છે. તે લગભગ નીચેના પ્રકારોમાં વિભાજિત કરી શકાય છે:

(1) ટોચ પર મોટા કણો સાથે ત્રિકોણાકાર ખામી છે

આ પ્રકારની ત્રિકોણાકાર ખામીમાં ટોચ પર એક વિશાળ ગોળાકાર કણ હોય છે, જે વૃદ્ધિ પ્રક્રિયા દરમિયાન પડતી વસ્તુઓને કારણે થઈ શકે છે. ખરબચડી સપાટી સાથેનો એક નાનો ત્રિકોણાકાર વિસ્તાર આ શિરોબિંદુથી નીચે તરફ જોઈ શકાય છે. આ એ હકીકતને કારણે છે કે એપિટેક્સિયલ પ્રક્રિયા દરમિયાન, ત્રિકોણાકાર વિસ્તારમાં ક્રમિક રીતે બે અલગ અલગ 3C-SiC સ્તરો રચાય છે, જેમાંથી પ્રથમ સ્તર ઇન્ટરફેસ પર ન્યુક્લિએટેડ છે અને 4H-SiC સ્ટેપ ફ્લો દ્વારા વધે છે. જેમ જેમ એપિટેક્સિયલ સ્તરની જાડાઈ વધે છે, તેમ 3C પોલિટાઇપ ન્યુક્લિએટ્સનું બીજું સ્તર નાના ત્રિકોણાકાર ખાડાઓમાં વધે છે, પરંતુ 4H વૃદ્ધિ પગલું 3C પોલિટાઇપ વિસ્તારને સંપૂર્ણપણે આવરી લેતું નથી, જે 3C-SiC ના V-આકારના ગ્રુવ વિસ્તારને હજુ પણ સ્પષ્ટપણે બનાવે છે. દૃશ્યમાન

(2) ટોચ પર નાના કણો છે અને ખરબચડી સપાટી સાથે ત્રિકોણાકાર ખામી છે

આકૃતિ 4.2 માં બતાવ્યા પ્રમાણે આ પ્રકારના ત્રિકોણાકાર ખામીના શિરોબિંદુ પરના કણો ઘણા નાના હોય છે. અને મોટાભાગનો ત્રિકોણાકાર વિસ્તાર 4H-SiC ના સ્ટેપ ફ્લો દ્વારા આવરી લેવામાં આવ્યો છે, એટલે કે, સમગ્ર 3C-SiC સ્તર સંપૂર્ણપણે 4H-SiC સ્તર હેઠળ જડિત છે. ત્રિકોણાકાર ખામી સપાટી પર માત્ર 4H-SiC ના વૃદ્ધિના પગલાં જ જોઈ શકાય છે, પરંતુ આ પગલાં પરંપરાગત 4H ક્રિસ્ટલ વૃદ્ધિના પગલાં કરતાં ઘણા મોટા છે.

(3) સરળ સપાટી સાથે ત્રિકોણાકાર ખામી

આકૃતિ 4.3 માં બતાવ્યા પ્રમાણે, આ પ્રકારની ત્રિકોણાકાર ખામી સરળ સપાટી આકારવિજ્ઞાન ધરાવે છે. આવા ત્રિકોણાકાર ખામીઓ માટે, 3C-SiC સ્તર 4H-SiC ના સ્ટેપ ફ્લો દ્વારા આવરી લેવામાં આવે છે, અને સપાટી પર 4H સ્ફટિક સ્વરૂપ વધુ ઝીણવટભર્યું અને સરળ બને છે.

એપિટેક્સિયલ ખાડાની ખામી

એપિટેક્સિયલ પિટ્સ (ખાડાઓ) એ સપાટીના મોર્ફોલોજીની સૌથી સામાન્ય ખામીઓમાંની એક છે, અને તેમની લાક્ષણિક સપાટી આકારવિજ્ઞાન અને માળખાકીય રૂપરેખા આકૃતિ 4.4 માં દર્શાવવામાં આવી છે. ઉપકરણના પાછળના ભાગમાં KOH એચિંગ પછી જોવા મળેલા થ્રેડીંગ ડિસલોકેશન (TD) કાટ ખાડાઓનું સ્થાન ઉપકરણની તૈયારી પહેલા એપિટેક્સિયલ ખાડાઓના સ્થાન સાથે સ્પષ્ટ પત્રવ્યવહાર ધરાવે છે, જે દર્શાવે છે કે એપિટેક્સિયલ પિટ ખામીઓનું નિર્માણ થ્રેડીંગ ડિસલોકેશન સાથે સંબંધિત છે.

ગાજર ખામી

ગાજરની ખામી એ 4H-SiC એપિટેક્સિયલ સ્તરોમાં સામાન્ય સપાટીની ખામી છે, અને તેમની લાક્ષણિક મોર્ફોલોજી આકૃતિ 4.5 માં દર્શાવવામાં આવી છે. ગાજરની ખામી સ્ટેપ-જેવી અવ્યવસ્થા દ્વારા જોડાયેલા બેઝલ પ્લેન પર સ્થિત ફ્રેન્કોનિયન અને પ્રિઝમેટિક સ્ટેકીંગ ફોલ્ટ્સના આંતરછેદ દ્વારા રચાયેલી હોવાનું નોંધાયું છે. એવું પણ નોંધવામાં આવ્યું છે કે ગાજરની ખામીની રચના સબસ્ટ્રેટમાં TSD સાથે સંબંધિત છે. સુચિડા એચ. એટ અલ. એપિટેક્સિયલ લેયરમાં ગાજરની ખામીની ઘનતા સબસ્ટ્રેટમાં TSD ની ઘનતાના પ્રમાણમાં છે. અને એપિટેક્સિયલ વૃદ્ધિ પહેલા અને પછી સપાટીના આકારવિજ્ઞાનની છબીઓની તુલના કરીને, તમામ અવલોકન કરેલ ગાજર ખામીઓ સબસ્ટ્રેટમાં TSD ને અનુરૂપ શોધી શકાય છે. વુ એચ. એટ અલ. રામન સ્કેટરિંગ ટેસ્ટ કેરેક્ટરાઇઝેશનનો ઉપયોગ કરીને જાણવા મળ્યું કે ગાજરની ખામીમાં 3C ક્રિસ્ટલ સ્વરૂપ નથી, પરંતુ માત્ર 4H-SiC પોલિટાઇપ છે.

MOSFET ઉપકરણ લાક્ષણિકતાઓ પર ત્રિકોણાકાર ખામીની અસર

આકૃતિ 4.7 એ ત્રિકોણાકાર ખામી ધરાવતા ઉપકરણની પાંચ લાક્ષણિકતાઓના આંકડાકીય વિતરણનો હિસ્ટોગ્રામ છે. વાદળી ડોટેડ લાઇન એ ઉપકરણની લાક્ષણિકતાના અધોગતિ માટે વિભાજન રેખા છે, અને લાલ ડોટેડ રેખા એ ઉપકરણની નિષ્ફળતા માટે વિભાજક રેખા છે. ઉપકરણની નિષ્ફળતા માટે, ત્રિકોણાકાર ખામીની મોટી અસર હોય છે, અને નિષ્ફળતા દર 93% કરતા વધારે છે. આ મુખ્યત્વે ઉપકરણોની વિપરીત લિકેજ લાક્ષણિકતાઓ પર ત્રિકોણાકાર ખામીના પ્રભાવને આભારી છે. ત્રિકોણાકાર ખામી ધરાવતા 93% જેટલા ઉપકરણોમાં રિવર્સ લિકેજમાં નોંધપાત્ર વધારો થયો છે. વધુમાં, ત્રિકોણાકાર ખામી 60% ના અધોગતિ દર સાથે, ગેટ લિકેજ લાક્ષણિકતાઓ પર પણ ગંભીર અસર કરે છે. કોષ્ટક 4.2 માં બતાવ્યા પ્રમાણે, થ્રેશોલ્ડ વોલ્ટેજ ડિગ્રેડેશન અને બોડી ડાયોડ લાક્ષણિકતા અધોગતિ માટે, ત્રિકોણાકાર ખામીની અસર ઓછી છે, અને અધોગતિનું પ્રમાણ અનુક્રમે 26% અને 33% છે. ઓન-રેઝિસ્ટન્સમાં વધારો થવાના સંદર્ભમાં, ત્રિકોણાકાર ખામીની અસર નબળી છે, અને અધોગતિનું પ્રમાણ લગભગ 33% છે.

MOSFET ઉપકરણ લાક્ષણિકતાઓ પર એપિટેક્સિયલ પિટ ખામીની અસર

આકૃતિ 4.8 એ એપિટેક્સિયલ પિટ ખામીઓ ધરાવતા ઉપકરણની પાંચ લાક્ષણિકતાઓના આંકડાકીય વિતરણનો હિસ્ટોગ્રામ છે. વાદળી ડોટેડ લાઇન એ ઉપકરણની લાક્ષણિકતાના અધોગતિ માટે વિભાજન રેખા છે, અને લાલ ડોટેડ રેખા એ ઉપકરણની નિષ્ફળતા માટે વિભાજક રેખા છે. આના પરથી જોઈ શકાય છે કે SiC MOSFET નમૂનામાં એપિટેક્સિયલ પિટ ખામી ધરાવતા ઉપકરણોની સંખ્યા ત્રિકોણાકાર ખામી ધરાવતા ઉપકરણોની સંખ્યાની સમકક્ષ છે. ઉપકરણની લાક્ષણિકતાઓ પર એપિટેક્સિયલ પિટ ખામીની અસર ત્રિકોણાકાર ખામીઓ કરતા અલગ છે. ઉપકરણની નિષ્ફળતાના સંદર્ભમાં, એપિટેક્સિયલ પિટ ખામી ધરાવતા ઉપકરણોનો નિષ્ફળતા દર માત્ર 47% છે. ત્રિકોણાકાર ખામીની સરખામણીમાં, કોષ્ટક 4.3 માં બતાવ્યા પ્રમાણે, ઉપકરણની રિવર્સ લિકેજ લાક્ષણિકતાઓ અને ગેટ લિકેજ લાક્ષણિકતાઓ પર એપિટેક્સિયલ પિટ ખામીની અસર નોંધપાત્ર રીતે નબળી પડી છે, જેમાં અનુક્રમે 53% અને 38% ના અધોગતિ ગુણોત્તર છે. બીજી તરફ, થ્રેશોલ્ડ વોલ્ટેજ લાક્ષણિકતાઓ, શરીરના ડાયોડ વહન લાક્ષણિકતાઓ અને પ્રતિકાર પર એપિટેક્સિયલ પિટ ખામીઓની અસર ત્રિકોણાકાર ખામી કરતાં વધુ છે, અધોગતિ ગુણોત્તર 38% સુધી પહોંચે છે.

સામાન્ય રીતે, બે મોર્ફોલોજિકલ ખામીઓ, જેમ કે ત્રિકોણ અને એપિટેક્સિયલ ખાડાઓ, SiC MOSFET ઉપકરણોની નિષ્ફળતા અને લાક્ષણિકતાના અધોગતિ પર નોંધપાત્ર અસર કરે છે. ત્રિકોણાકાર ખામીઓનું અસ્તિત્વ સૌથી ઘાતક છે, નિષ્ફળતા દર 93% જેટલો ઊંચો છે, જે મુખ્યત્વે ઉપકરણના રિવર્સ લિકેજમાં નોંધપાત્ર વધારો તરીકે પ્રગટ થાય છે. એપિટેક્સિયલ પિટ ખામી ધરાવતા ઉપકરણોમાં નિષ્ફળતાનો દર 47% ઓછો હતો. જો કે, એપિટેક્સિયલ પિટ ખામીઓ ત્રિકોણાકાર ખામી કરતાં ઉપકરણના થ્રેશોલ્ડ વોલ્ટેજ, શરીરના ડાયોડ વહન લાક્ષણિકતાઓ અને પ્રતિકાર પર વધુ અસર કરે છે.