论文推介丨4H-SiC外延形貌缺陷对MOSFET电学特性影响研究

在全球能源转型与新型电力系统对电能高效转换的迫切需求背景下，4H-SiC MOSFET凭借材料的高击穿电场、高热导率等优势，在中高压应用中展现出比硅基IGBT更优的开关性能、转换效率和高温适应性，对现代及下一代电网应用至关重要。然而，随着器件耐压等级提升，4H-SiC外延层厚度相应增加，外延缺陷也随之延伸与演变，进而影响器件的性能与可靠性。因此，深入分析4H-SiC外延缺陷的结构特征及其对MOSFET电学行为的影响，对实现高压器件的性能突破具有重要意义。

近日，北京智慧能源研究院李哲洋博士团队在《人工晶体学报》2026年第3期发表了研究论文《4H-SiC外延形貌缺陷对MOSFET电学特性影响研究》（第一作者：王品；通信作者：于乐、李哲洋）。本文研究了三种4H-SiC外延形貌缺陷对6.5 kV MOSFET电学特性的影响。结果表明，三角形缺陷会导致器件早期击穿，反向击穿电压不大于3 V，缺陷位于有源区还会导致栅控失效。类三角形缺陷和直线型缺陷对器件的击穿电压无明显影响，但类三角形缺陷导致器件的导通电阻增大了4.57%。与直线型缺陷相比，尽管类三角形缺陷的带隙收缩较小，但其形貌区域存在更显著的应力集中，且堆垛层错面积为直线型缺陷的5倍，从而导致器件导通电阻增大。此外，类三角形缺陷和直线型缺陷均在导电原子力显微镜施加负压时漏电，尽管两者未引起器件静态特性明显变化，但仍不利于器件的长期可靠性。

论文题录●●

王品, 王静, 刘德财, 张文婷, 于乐, 李哲洋. 4H-SiC外延形貌缺陷对MOSFET电学特性影响研究[J]. 人工晶体学报, 2026, 55(3): 387-394.

WANG Pin, WANG Jing, LIU Decai, ZHANG Wenting, YU Le, LI Zheyang. Influence of 4H-SiC Epitaxial Morphological Defects on the Electrical Characteristics of MOSFET[J]. Journal of Synthetic Crystals, 2026, 55(3): 387-394.

//文章导读

本文中6.5 kV 4H-SiC MOSFET在6英寸4°偏轴（0001）n型4H-SiC衬底上制备。在衬底上生长n型外延层，厚度约为60 μm，掺杂浓度约为1×1015 cm-3。使用Candela CS920检测系统对4H-SiC外延层进行缺陷识别和分类，利用可见-紫外光致发光（Vis-PL）、散射和形貌通道检测并分类外延缺陷，如图1所示，识别出三种形貌缺陷，即三角形缺陷、类三角形缺陷和直线型缺陷，三者均具有堆垛层错。三角形缺陷在三个通道均呈现出完整的三角形形态，PL通道显示缺陷周围环绕着扩展的堆垛层错，其形成源于应力释放。而类三角形缺陷具有三角形的堆垛层错，但表面形态不完整（见图1(b)）。如图1(c)所示，直线型缺陷随台阶流延伸生长，与[110]方向的夹角约为15°，其堆垛层错面积明显小于三角形缺陷和类三角形缺陷，约为类三角形缺陷的1/5。这三种缺陷均在衬底外延层界面附近成核，因为其沿[110]方向的长度接近于60/tan4°（外延厚度除以台阶流4°偏角的正切值）。

图1　形貌缺陷的散射、可见-紫外光致发光和形貌通道图。(a)三角形缺陷；(b)类三角形缺陷；(c)直线型缺陷

研究了三角形缺陷位置对MOSFET电学特性的影响。图2(a)和图2(b)为三角形缺陷分别位于4H-SiC MOSFET有源区和终端区的光学显微镜（OM）图，与无缺陷区域相比，三角形缺陷区域整体呈现出更暗的衬度（即颜色发黑），证明了击穿优先通过该缺陷发生。反向特性结果显示（见图2(c)），这两种MOSFET均出现早期击穿行为。与缺陷位于有源区的MOSFET相比，缺陷位于终端区的MOSFET初始漏电流更低，并且在100 μA漏电流阈值下能够承受3 V的反向偏置电压（见图2(c)）。三角形缺陷还会显著影响栅极功能，三角形缺陷位于有源区会造成栅控能力失效，如图2(d)所示。

图2　含三角形缺陷MOSFET的OM图像及性能图。(a)三角形缺陷位于有源区OM图；(b)三角形缺陷位于终端区OM图；(c)器件反向特性；(d)体二极管的I-V特性

图3(a)为含类三角形缺陷和直线型缺陷的MOSFET阻断特性对比，结果表明含这两种缺陷的MOSFET都具有超过7 kV的阻断能力。图3(b)和3(c)显示了在VGS从4 V到20 V的情况下有/无缺陷器件的输出特性。结果发现，在高栅源电压下（VGS≥16 V），相同电压下具有类三角形缺陷的器件的电流降低，而含直线型缺陷的器件与参考的无缺陷的器件相当。如图3(d)所示，在漏极电流为20 A和VGS为20 V的情况下计算了器件的导通电阻（Ron），含类三角形缺陷的器件的Ron为0.172 Ω，而其周围四个无缺陷器件的平均值为0.1645 Ω，计算可得该缺陷导致Ron增大约4.57%。相比之下，直线型缺陷对器件导通电阻影响不明显。不同形貌缺陷对4H-SiC MOSFET性能影响具有差异性，具体影响程度排序为三角形缺陷>类三角形缺陷>直线型缺陷。

图3　含类三角形缺陷和直线型缺陷的MOSFET性能对比图。(a)器件反向特性；(b)类三角形缺陷/无缺陷器件的转移特性对比；(c)直线型缺陷/无缺陷器件的转移特性对比，(d)器件导通电阻

本文进一步研究了类三角形缺陷和直线型缺陷引发器件不同电学行为的原因。图4(a)展示了去层器件上类三角形缺陷的形貌，可以清晰观察到一个沟槽，其延伸方向与台阶流方向之间的夹角约为60°。白光干涉显微镜（WLI）选区高度剖面图表明，类三角形缺陷的沟槽形貌最大变化幅度约为3.1 μm（见图4(b)）。直线型缺陷在图4(c)中可以看到表面有一个浅凹槽，AFM测量结果显示凹槽深度约为45 nm。对比表明类三角形缺陷的形貌起伏更大。

图4　缺陷的OM图和高度剖面图。类三角形缺陷的OM图(a)和WLI图选区高度剖面图(b)，直线型缺陷的OM图(c)和AFM图选区高度剖面图(d)

采用C-AFM对去层后的MOSFET表面开展纳米尺度电学表征，同步采集了表面形貌与电流分布，图5为两者叠加后的三维图。从形貌上，类三角形缺陷和直线型缺陷在表面均呈现为沟槽形状，且局部漏电流在沟槽处明显增强，这说明缺陷形貌处形成了局域化的导电通道。尽管这两种形貌缺陷对器件的反向特性无明显影响（见图3(a)），缺陷的存在可能会使电流在器件的特定区域集中，从而影响器件的长期可靠性。

图5　类三角形缺陷(a)和直线型缺陷(b)的高度和漏电流叠加三维图

PL光谱用于研究两类形貌缺陷的光学特性，如图6所示。器件去层后外延的4H-SiC无缺陷区域在430~600 nm波长范围内呈现宽谱带，这是经过离子注入的4H-SiC中常见的施主-受主带边特征谱带。类三角形缺陷和直线型缺陷的特征峰分别位于457和488 nm，对应（4，2）多层弗兰克型层错和（5，2）本征弗兰克型层错。通过缺陷的发光峰可以得到，类三角形缺陷和直线型缺陷区域带隙相对于4H-SiC分别收缩了约0.5和0.6 eV。

图6　类三角形缺陷和直线型缺陷的PL图

为进一步理解两种缺陷结构，分别在无缺陷、类三角形缺陷和直线型缺陷采集了显微拉曼光谱（见图7）。为实现应力量化分析，分析了位于波数777 cm-1的横向光学（TO）模式的峰位偏移。如图8(a)所示，类三角形缺陷的4H/沟槽边观测到TO峰向高波数移动现象，表明该区域存在压应力。沟槽中心区域TO峰位向低波数移动，表现出拉应力的特征。而直线型缺陷未检测到显著的TO峰位偏移（见图8(b)），这说明该区域的晶体未受到显著应力作用。

图7　类三角形缺陷和直线型缺陷的拉曼光谱

图8　类三角形缺陷(a)和直线型缺陷(b)的OM图和拉曼面扫图

结合多表征方法分析类三角形缺陷和直线型缺陷对器件导通电阻的影响。由PL结果可知，类三角形缺陷的带隙收缩小于直线型缺陷（见图6），根据量子阱理论，直线型缺陷的束缚载流子能力更强，通常对器件的电阻影响更大。但图3(d)表明含类三角形缺陷的器件导通电阻明显增加，这表明两种缺陷的带隙差异对电阻的影响不明显。从图1和图4可知，类三角形缺陷的层错面积约为直线型缺陷的5倍，表面起伏高度是直线型缺陷的两个数量级，且表面存在更大的应力，结晶性更差，这是类三角形缺陷导致导通电阻增加的原因。

结　论

本研究重点分析了三角形缺陷、类三角形缺陷和直线型缺陷对6. 5 kV MOSFET电学特性的影响，其中影响程度从大到小排序为三角形缺陷、类三角形缺陷、直线型缺陷，并联合多种表征手段分析外延形貌缺陷结构和特征。结果表明，无论是在有源区还是终端区，三角形缺陷会严重影响器件的反向耐压特性，位于有源区的缺陷还会导致栅控失效。类三角形缺陷会导致器件的导通电阻增大约4. 56%，直线型缺陷对器件的静态电学特性无明显影响。PL结果表明直线型缺陷比类三角形缺陷产生的量子阱深约0. 1 eV，但类三角形缺形貌区域应力更高，且堆垛层错面积更大，这是器件导通电阻升高的原因。此外，在C-AFM负压测试条件下，类三角形缺陷与直线型缺陷均表现出漏电行为；尽管两类缺陷未导致器件静态特性出现显著异常，但其漏电现象仍对器件的长期工作可靠性构成潜在威胁。因此，在4H-SiC外延制备过程中，应尽量消除外延形貌缺陷的密度，以提高器件的良率和可靠性。

来源：人工晶体学报

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