1 1.山东大学 晶体材料国家重点实验室, 新一代半导体材料研究院，济南 250100
2 2.广州南砂晶圆半导体技术有限公司, 广州 511458
碳化硅具有优异的物理化学性能, 在电动汽车、轨道交通、高压输变电、光伏、5G通信等领域具有广泛应用前景。8英寸(1英寸=2.54 cm)SiC衬底在降低器件单位成本、增加产能供应方面具有巨大的潜力, 成为行业重要的技术发展方向。近期山东大学与广州南砂晶圆半导体技术有限公司在8英寸SiC衬底位错缺陷控制方面取得了重大突破, 使用物理气相传输法(Physical vapor transport, PVT)制备了低位错密度8英寸导电型4H-SiC单晶衬底, 其中螺位错(Threading screw dislocation, TSD)密度为0.55 cm-2, 基平面位错(Basal plane dislocation, BPD)密度为202 cm-2。
4H-SiC 8英寸 低位错密度 单晶衬底 4H-SiC 8-inch low dislocation density single crystal substrate
山东大学新一代半导体材料研究院, 济南 250100
SiC作为代表性的第三代半导体材料, 具有优异的物理化学性能。随着材料及应用的发展, SiC衬底在航天电源、电动汽车、智能电网、轨道交通、工业电机等领域的应用日益重要。相比第一代半导体材料如Si和第二代半导体材料如GaAs而言, SiC衬底质量还有很大的改善空间, 是现阶段研发和产业的热点。其中SiC单晶缺陷, 特别是一维位错缺陷的检测和降低, 是近10年内重要的研究内容。本文重点对SiC中位错的形成原因、位错检测技术、位错密度降低方法及近年来SiC单晶中位错的优化水平进行总结归纳, 并提出了SiC需要继续突破和发展的方向。
位错 位错形成原因 位错检测技术 位错密度降低方法 位错密度优化水平 SiC SiC dislocation cause of dislocation formation dislocation detection technology method of reducing dislocation density dislocation optimization level
山东大学新一代半导体材料研究院，晶体材料国家重点实验室，济南 250100
晶体生长初期成核阶段的籽晶表面变化对后续晶体生长质量具有重要影响。采用光学显微镜对SiC生长初期的表面和微管形貌进行观察。在8×104 Pa、1 800~2 100 ℃生长条件下，籽晶表面出现了原子迁移产生的台阶。同时发现微管会严重干扰正常台阶流的运动，并且微管处会形成一个圆形凹坑。在2×104 Pa、2 150~2 300 ℃生长条件下，发现籽晶表面中心已经形成了多个SiC晶核，籽晶边缘附近的部分微管已经产生明显应力区，且应力主要在紧贴微管并朝向边缘的区域，证明了台阶流是由中心向边缘移动的。此外，对加工后的衬底表面进行AFM观察，发现其表面同样存在取向不同的台阶，这可能与晶体生长初期的台阶形貌有关。
微管 碳化硅 单晶 台阶流 晶体生长 micropipe silicon carbide single crystals stage flow crystal growth
1 山东大学, 晶体材料国家重点实验室, 新一代半导体材料研究院, 济南 250100
2 广州南砂晶圆半导体技术有限公司, 广州 511458
采用物理气相传输(PVT)法扩径获得了8英寸(1英寸=2.54 cm)4H-SiC籽晶, 用于8英寸导电型4H-SiC晶体生长, 并加工出厚度520 μm的8英寸4H-SiC衬底。使用拉曼光谱、全自动显微镜面扫描、非接触电阻率测试仪面扫描和高分辨X射线衍射仪对衬底的晶型、微管、电阻率和结晶质量进行了表征。衬底颜色均一并结合拉曼光谱表明衬底4H-SiC晶型面积比例为100%; 衬底微管密度小于0.3 cm-2; 衬底电阻率范围20~23 mΩ·cm, 平均值为22 mΩ·cm; (004)面高分辨X射线摇摆曲线半峰全宽为32.7″, 表明衬底良好的结晶质量。
SiC单晶衬底 8 英寸 物理气相传输法 微管密度 电阻率 SiC single crystal substrate 8 inch physical vapor transport method micropipe density resistivity 人工晶体学报
2022, 51(9-10): 1745
山东大学，新一代半导体材料研究院，晶体材料国家重点实验室，济南 250100
利用晶格畸变检测仪研究了SiC晶片位错分布情况，通过对熔融KOH腐蚀后的SiC晶片进行全片或局部扫描，从而得到完整SiC晶片或局部区域的位错分布。与LEXT OLS4000 3D激光共聚焦显微镜扫描腐蚀图进行比较，晶格畸变检测仪扫描腐蚀图可以将晶片上位错腐蚀坑信息完全呈现出来，且根据腐蚀坑呈现的颜色及尺寸大小，可以分辨出三种不同类型的穿透型位错，其中黑点腐蚀坑对应螺位错，小尺寸白点腐蚀坑对应刃位错，大尺寸白点腐蚀坑对应混合型位错。采用晶格畸变测试仪研究了4英寸(101.6 mm)N型4H-SiC晶体不同生长时期的位错密度及分布情况，结果表明随着晶体生长，位错密度呈现逐渐降低的趋势，生长后期晶片的总位错密度降为生长前期晶片总位错密度的近1/3，有利于反馈位错缺陷在SiC晶体生长过程中的延伸和转化特性信息，以指导SiC晶体生长工艺改进。
晶格畸变检测仪 位错 位错密度 KOH腐蚀 位错缺陷分布 4H-SiC 4H-SiC lattice distortion detector dislocation dislocation density KOH etch dislocation distribution
1 山东大学，晶体材料国家重点实验室，新一代半导体材料研究院，济南 250100
2 广州南砂晶圆半导体技术有限公司，广州 511458
碳化硅(SiC)被认为是最重要的宽禁带半导体材料之一，具有禁带宽度大、击穿电场高、热导率高、电子饱和速率高、抗辐射能力强等优越性质。基于SiC材料制备的半导体器件不仅能在更高的温度下稳定运行，而且在高电压、高频率状态下也具有更高的可靠性。近20年来，随着材料生长技术、制造工艺与器件物理的迅速发展， SiC材料及器件在雷达、5G通信、电动汽车等领域获得了广泛应用，对**工业发展、国家信息安全、国民经济建设均产生了极其重要的影响。在以SiC为基础的大功率半导体器件产业链中，高质量的SiC单晶制备及其产业化是最为重要的一环。本文针对半绝缘SiC单晶衬底材料国内外发展进行了分析归纳，重点介绍了山东大学半绝缘SiC的研究历程、现状，并对研究和产业发展、存在的挑战做了论述。
SiC单晶衬底 微管密度 6英寸 半绝缘 SiC single crystal substrate micropipe density 6 inch semi-insulating
山东大学晶体材料国家重点实验室, 山东 济南 250100
激光微加工是半导体精密加工的一个有效方法。 对于碳化硅(SiC)单晶, 使用紫外波段激光可以获得对入射能量最大的吸收效率。 使用355 nm全固态激光器对6H-SiC单晶进行刻蚀。 同时将样品置于不同的介质下以探究最优加工条件。 使用拉曼光谱表征激光刻蚀后的SiC表面。 刻蚀后表面主要由无定形硅及纳米晶石墨组成, 对于空气下刻蚀的SiC晶片, 无定形硅主要分布于刻蚀坑的周围, 刻蚀坑内较少。 而在液体下刻蚀的样品, 无定形硅的空间分布相反。 通过分析残留在表面的物质, 在另一角度研究了激光刻蚀的反应机理。 对于液体辅助的激光加工, 以往的研究主要关注液层的厚度及粘度, 对液体还原性的研究很少。 为确定液体还原性的影响, 使用共聚焦激光扫描显微镜及能量色散谱检测了不同液体辅助加工样品的表面形貌及氧含量。 结果表明, 液体还原性在激光刻蚀过程中有着较大的影响, 使用有着还原性的液体作为介质可以有效减少表面氧化并获得更规则的表面形貌。
碳化硅 激光刻蚀 拉曼光谱 能量色散谱 Silicon carbide Laser ablation Raman spectroscopy Energy dispersive spectroscopy 光谱学与光谱分析
2016, 36(4): 1255
