不同碳化硅晶体面带来的可能性

对于非立方晶体,它们天生具有各向异性,即不同方向具有不同的性质。以碳化硅晶体面为例:

  • 4H-SIC和6H-SIC的空间群是P63mc,点群是6mm。两者都属于六方晶系,具有各向异性。
  • 3C-SIC的空间群是F-43m,点群是-43m。它属于立方晶系,不具有各向异性。
  • 15R-SIC的空间群是R3m,点群是3m。它属于三方晶系,具有各向异性。

此外,6mm和3m属于10个极性点群(1、2、3、4、6、m、3m、mm2、4mm、6mm)之一,因此4H-SIC、6H-SIC、15R-SIC是极性晶体。极性晶体意味着晶体中至少一个方向与相反方向具有不同的性质,可以是电学性质(热电性质、铁电性质),生长性质等。总之,在同一个方向上,正负之间会存在性能差异。

各向异性的表现会直接体现在不同晶面不同的性质上。在晶体中,不同碳化硅晶体面由晶面指数的差异来表示。晶面指数也称为米勒指数,是(hkl)。

具体表示方法是:建立晶体的坐标系,该晶面的截距和坐标轴将是a、b、c,然后取截距的倒数1/a、1/b、1/c,化简为最简整数比,即(hkl)。对于三方和六方晶系的晶体,(hkl) = (hkil),i=-h-k。但是,根据晶体的对称性,会存在一系列相同的碳化硅晶体面。例如,(100)和(200)只是没有化简为最简整数比。

各向异性具有许多应用:

不同方向的籽晶生长性质差异很大。以(0001)晶面为参考,偏转一定角度(步流)的晶片更容易生长碳化硅。

电性质也存在巨大差异。例如,硅碳晶面(0-33-8)用于制备碳化硅MOSFET。由于其界面态密度较低、自由电子比例较高,在所有掺杂浓度下表面的通道迁移率最高。

如图所示,当使用掺杂浓度为10^18^/cm3时,可以达到高达60cm^2^V^-1^s^-1^的通道迁移率和高达4V的阈值电压。该电压足以在高温下抑制误启动,高于(0001)晶面。

图片中还包含一个立体图,显示了b112N和b110N型晶体取向之间的30°角。这表明,金刚石和碳化硅晶体相互旋转30°,使得一个晶体的b112N方向与另一个晶体的b110N方向对齐。

利用这一特性,一家日本公司开发了一种新的 SiC MOSFET 结构。它有一个 V 形槽,使用 (0-33-8) 晶面,因此具有更高的迁移率性能。

4H-SiC 的 (0-33-8) 晶面与 (0001) 晶面形成 54.7 度的偏角。

三方和六方晶系的晶胞参数为a和c,晶面(h1k111) (h2k212)的计算方法如下:
cos ⁡ ϕ = h 1 h 2 + k 1 k 2 + 1 2 ( h 1 k 2 + h 2 k 1 ) + 3 a 2 4 c 2 l 1 l 2 ( h 1 2 + k 1 2 + h 1 k 1 + 3 a 2 4 c 2 l 1 2 ) ( h 2 2 + k 2 2 + h 2 k 2 + 3 d 2 4 c 2 l 2 2 ) \cos\phi=\frac{h_{1}h_{2}+k_{1}k_{2}+\frac{1}{2}(h_{1}k_{2}+h_{2}k_{1})+\frac{3a^{2}}{4c^{2}}l_{1}l_{2}}{\sqrt{\left(h_{1}^{2}+k_{1}^{2}+h_{1}k_{1}+\frac{3a^{2}}{4c^{2}}l_{1}^{2}\right)\left(h_{2}^{2}+k_{2}^{2}+h_{2}k_{2}+\frac{3d^{2}}{4c^{2}}l_{2}^{2}\right)}} cosϕ=(h12+k12+h1k1+4c23a2l12)(h22+k22+h2k2+4c23d2l22) h1h2+k1k2+21(h1k2+h2k1)+4c23a2l1l2

制造该设备的关键是使用化学蚀刻工艺形成 V 形沟槽。使用二氧化硅作为蚀刻掩模,在约 900°C 的氯气氛中进行蚀刻。

  • 首先将未蚀刻的表面氧化为二氧化硅,
  • 氯气与表面的碳化硅反应生成碳,然后与氧气反应生成二氧化碳;
  • 生成的硅氯化物和二氧化碳在高温下挥发,露出 (0-33-8) 晶面。

注意:不能使用离子蚀刻。虽然离子蚀刻是形成 U 形沟槽的一般方法,但会导致蚀刻损坏和子沟槽的形成。

通过扫描电子显微镜的图像,可以看到化学蚀刻已获得高质量的晶面。

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