宽禁带科技论|浙江大学在物理气相传输法生长碳化硅单晶初期 贯穿型位错形核机制研究方 ...

半导体碳化硅（4H-SiC）具有禁带宽度大、击穿场强高、电子饱和速度高和热导率高等优异特性，在高频、高功率电子器件领域有重要应用前景。基于4H-SiC单晶制备的功率芯片将广泛应用于电动汽车、智能电网、轨道交通等领域。目前，物理气相输运法（PVT）是生长4H-SiC单晶的主要方法。然而，PVT法生长的4H-SiC单晶仍存在位错密度高的问题，严重影响4H-SiC功率器件的性能和可靠性。

对于4H-SiC单晶衬底中的位错，超过95%的贯穿型位错（TDs）会由衬底遗传至外延薄膜，导致4H-SiC外延薄膜的少子寿命短，4H-SiC功率器件的漏电流大。因此，深入理解4H-SiC单晶衬底中贯穿型位错的形核机制，从而降低它们的密度对于制备高性能的4H-SiC功率器件具有重要意义。

近日，浙江大学杨德仁院士团队的皮孝东教授和王蓉研究员等人采用先进表征手段，从原子尺度阐明了PVT法生长4H-SiC单晶初期，层错的应力不均匀性导致贯穿型位错形核的机制。在4H-SiC单晶生长过程中，层错的累积效应会导致第二相的形成，小角晶界会在第二相与4H-SiC的边界处形成以缓解晶格失配导致的应力。研究结果表明，在PVT法生长4H-SiC单晶的初期，稳定4H晶型以防止层错和第二相的形成，对于降低贯穿型位错的密度，生长高质量的4H-SiC单晶至关重要。

图1 (a) PVT法生长4H-SiC单晶初期形成层错的弱束暗场图像，衍射矢量为3g =[033̅0]；(b) 图(a)中黄色虚线框所围区域的层错和4H-SiC基体的高分辨率HAADF-STEM图像；(c) 图(b)中蓝色虚线框所包围区域对应的应力场。

图2 PVT法生长4H-SiC单晶过程中形成的小角度晶界的TEM暗场像结果，衍射矢量为(a) 和 (b) [0004]；(c) 15R/4H-SiC界面结构的高分辨率HAADF-STEM图像，(d) 图(c)中红色虚线框所包围区域对应的应力场。

相关研究结果以“Nucleation of Threading Dislocations in 4H-SiC at Early Physical-Vapor-Transport Growth Stage”为题发表在Crystal Growth & Design上。研究工作得到国家自然科学基金、浙江省“尖兵”研发攻关计划、国家重点研发计划和中央高校基本科研业务费专项资金的资助。

论文链接：

https://doi.org/10.1021/acs.cgd.3c00416

来源：浙江大学杭州国际科创中心

邵秦秦

本文第一作者，浙江大学杭州国际科创中心博士后，主要研究方向为碳化硅单晶生长和缺陷研究。

王蓉

本文通讯作者，浙江大学杭州国际科创中心研究员。从事碳化硅单晶的掺杂与缺陷物理研究。已经发表学术论文70余篇，拥有授权的发明专利20余项。

皮孝东

本文通讯作者，浙江大学教授。主要从事大尺寸的碳化硅晶体和纳米尺度上的硅晶体的杂质与缺陷及其器件应用研究。已经发表学术论文100余篇，拥有授权的发明专利20余项。

杨德仁

本文作者，杨德仁院士目前担任浙江大学宁波理工学院校长，杭州国际科创中心首席科学家。担任国家自然科学基金创新研究群体、教育部长江学者计划创新群体、科技部重点领域创新团队和浙江省重点科技创新团队负责人。杨院士长期从事硅及先进半导体材料的研究，已发表SCI论文930余篇，在生产实际中也产生重大经济效益。