杂质和缺陷对SiC单晶导热性能的影响

碳化硅(SiC)晶体是一种重要的第三代半导体材料，且具有优异的导热特性，以其为衬底材料制成的大功率器件可以在多种极端环境下使用，因此研究SiC单晶材料热导率的影响因素对SiC电子器件的应用具有重要的意义。但影响SiC单晶热导率的因素较为复杂，主要包括晶型、晶向、温度、杂质、缺陷、载流子等，这也是报道的SiC晶体的热导率呈现较大差距的原因。另外，目前关于SiC单晶热导率的研究主要是沿c轴<0001>晶向或者垂直于c轴的某一晶向进行的，不能有效地解释热导率的各向异性。

近日，上海理工大学与中国科学院上海硅酸盐研究所相关研究团队在《人工晶体学报》发表了题为“杂质和缺陷对SiC单晶导热性能的影响”的研究论文。作者对SiC单晶切割得到尺寸为φ12.7 mm×3 mm的圆片，晶体圆片表面分别为(11—00)晶面、(112—0)晶面和(0001)晶面，采用射频源辉光放电质谱和场发射扫描电子显微镜对样品进行了杂质和缺陷表征，研究了4H-SiC和6H-SiC单晶<11—00>、 <112—0>、<0001>三个不同晶向上热导率以及其随温度的变化，并详细分析了热导率与杂质和缺陷的关系。

论文题录●●

綦正超，许庭翔，刘学超，王丁. 杂质和缺陷对SiC单晶导热性能的影响[J].人工晶体学报, 2021,50(5): 816-824.

QI Zhengchao, XU Tingxiang, LIU Xuechao, WANG Ding. Effect of impurities and defects on the thermal conductivity of single crystal SiC[J]. Journal of Synthetic Crystal, 2021, 50(5): 816-824.

//文章导读

实验样品为上海硅酸盐研究所采用物理气相输运法(PVT)制备的4H-SiC和6H-SiC晶体，首先采用晶体定向仪对SiC晶体进行定向，然后对晶体进行切割加工，如图1所示。

图1 (a)SiC单晶晶向示意图;(b)导热性能测试用SiC单晶样品实物图

采用X射线衍射仪分别对6个SiC样品进行测试，得到其XRD图谱（见图2）和高分辨X射线摇摆曲线图谱（见图3）。结果显示：6H-SiC样品的出峰位置集中，且半高宽没有出现展宽的现象；而4H-SiC的三个样品中均出现出峰位置偏移、半高宽展宽的现象。说明6H-SiC样品的结晶质量和均匀性明显优于4H-SiC样品。

图2 SiC单晶样品XRD图谱

图3 SiC单晶样品高分辨X射线摇摆曲线图谱

对6个SiC晶体样品进行了拉曼散射测试，得到如图4所示的拉曼图谱。由于SiC晶体是极性半导体，自由载流子与纵光学声子(LO声子)会产生相互作用(与等离子体激元通过宏观电场作用)，形成纵光学声子-等离子耦合(LOPC)模式。LOPC模式的频率与载流子浓度存在相关关系。因此，由LO模式引起的拉曼峰会受到载流子浓度的影响。随着载流子浓度的增加，LO峰向高波数侧偏移，峰值展宽。LO峰对应图中964 cm-1位置的峰，样品4H-1100和4H-0001在该处的峰基本消失，导致该现象发生的原因可能是这两个样品含有较高浓度的杂质。样品4H-0001、6H-1100和6H-1120在该处的峰也有偏移和峰值展宽的现象。只有样品6H-0001的LO峰得到较好的保留。

图4 SiC单晶样品拉曼图谱

作者随后对样品进行了热导率测试，如图5和图6所示。对于同一晶向的任意两个不同4H-SiC晶体样品，热导率的数值和随温度的变化是相同的，表明SiC晶体的热导率在相同晶向上具有一致性。由图6可知，4H-SiC和6H-SiC晶体的热导率都具有各向异性，<11—00>和<112—0>晶向的热导率高于<0001>晶向的热导率；在相同的晶向上，当温度处于100 ℃及以上时，6H-SiC晶体的热导率高于或等于4H-SiC。

图5 同一晶向上任意两个4H-SiC样品的热导率数

图6 六组SiC样品的热导率数值

结合表1和表2的杂质含量可以得出，相对于6H-SiC样品，4H-SiC样品内杂质元素的含量较少；6H-SiC样品含有较高的B、Al等元素。这些杂质原子既可以充当自由载流子，起到运输声子的作用，进而提高热导率的数值；也可以与声子产生散射，阻碍声子的传递，从而降低热导率的数值。

表1 4H-SiC样品GDMS元素分析结果

表2 6H-SiC样品GDMS元素分析结果

作者最后对4H-SiC晶体样品进行了SEM测试，结果如图7所示。图中4H-SiC晶体样品(11—00)晶面和(112—0)晶面表面光滑平整、无孔洞；样品(0001)晶面表面存在一定数量的微管(微孔)缺陷，清晰地呈现出一个微管缺陷。4H-SiC和6H-SiC两种样品相同的晶面具有相同的表面特征。由SEM表征结果还可以得出：两种SiC晶体在<0001>晶向上的微管缺陷的数量要明显高于另外两个晶向。结合前文拉曼散射表征可知，虽然4H-SiC和6H-SiC晶体的晶格振动模存在差异，但两者的热导率均表现出各向异性，在<0001>晶向的热导率明显低于其他两个晶向。缺陷会阻碍SiC晶体的晶格振动和声子的散射，从而导致热导率下降。本实验采用的样品是沿<0001>晶向生长得到的，在生长过程中样品在该晶向上会产生较多微管缺陷，这与SEM的表征结果相符。由此可以推出缺陷的存在是SiC热导率下降的主要原因之一。

图7 4H-SiC样品SEM照片

//主要结论

缺陷是导致SiC晶体热导率具有各向异性的主要原因之一。SiC晶体在含有较多缺陷的<0001>晶向上的热导率明显低于缺陷含量较少的<11—00>和<112—0>晶向。而<11—00>和<112—0>两个晶向的热导率数值却十分接近。这说明当缺陷数量低于一定程度时，SiC晶体不同晶向的热导率相近，可以通过缺陷的数量来调控SiC晶体的各向异性。结晶质量和杂质浓度对SiC晶体的热导率也会产生明显的影响，它们的本质都是通过与声子作用来改变SiC晶体的导热性能。不同的是杂质与声子的作用具有双重性。杂质既可以作为声子的载体，提高声子传输效率从而提升SiC晶体导热性能；也可以与声子发生散射，阻碍声子传输，从而降低SiC晶体导热性能。而结晶质量的影响是单一的，结晶质量越好，SiC晶体的导热性能越好。因此可以通过提升SiC晶体的结晶质量和适当掺入杂质离子来提升SiC晶体的导热性能，使其制成的器件更能在高温环境下发挥作用。

来源：人工晶体学报