外文翻譯（中文）--退火過(guò)程中高摻雜的4h-sic外延層里堆垛層錯(cuò)的形成

1、<p>　　畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)外文資料翻譯</p><p>　　學(xué)院（系）： 材料科學(xué)與工程學(xué)院 </p><p>　　專 業(yè)： 材料科學(xué)與工程專業(yè) </p><p>　　姓 名： </p><

2、p>　　學(xué) 號(hào)： </p><p>　　外文出處： APPLED PHYSICS </p><p>　　VOLUME 81,NUMBER 20. 11 NOVEMBER 2002 </p><p>　　附 件： 1.文資料翻譯譯文；2.外文原文。 &l

3、t;/p><p>　　注：請(qǐng)將該封面與附件裝訂成冊(cè)。</p><p>　　附件1：外文資料翻譯譯文</p><p>　　退火過(guò)程中高摻雜的4H-SIC外延層里堆垛層錯(cuò)的形成</p><p>　　H. J. Chung, J. Q. Liu, and M. Skowronskia</p><p>　　材料科學(xué)與工程學(xué)院，卡耐

4、基 梅隆大學(xué)，匹茲堡市，賓夕法尼亞州15213</p><p>　?。ㄊ盏?002年6月21日，接受2002年9月13日）</p><p>　　在4H-SIC基體上，在n+ 4H-SIC外延層里沉積形成的堆垛層錯(cuò)已經(jīng)能通過(guò)常規(guī)的和HRTEM觀察到。在退火過(guò)程中，層錯(cuò)形成發(fā)生在氬氣下1150度，持續(xù)90分鐘。所有的層錯(cuò)都是在兩個(gè)相鄰基底面通過(guò)部分位錯(cuò)的滑動(dòng)所形成的相同的雙層肖克利層錯(cuò)。對(duì)于在

5、外延層與基體界面的幾個(gè)包含層錯(cuò)的部分位錯(cuò)，伯格斯矢量標(biāo)志已經(jīng)通過(guò)HRTEM被確定。大約有一半的位錯(cuò)有相應(yīng)的插入到外延層的額外半平面，但是另一半位錯(cuò)導(dǎo)致同一半平面從薄膜里去除。進(jìn)一步說(shuō)，被相反標(biāo)志的位錯(cuò)包含的兩個(gè)層錯(cuò)間距僅有80納米。因?yàn)樵谕庋訉雍突w的作為層錯(cuò)擴(kuò)展動(dòng)力的摻雜不同，所以這一結(jié)果與機(jī)械應(yīng)力所得不一致。2002年美國(guó)物理研究所。[DOI:10,1063/1,15119961]</p><p>　　由于其

6、高飽和電子速度、擊穿場(chǎng)和熱傳導(dǎo)的性質(zhì)，對(duì)于高頻率和高功率電子產(chǎn)品，碳化硅是一種很有前途的寬禁帶半導(dǎo)體。制造通過(guò)層錯(cuò)和位錯(cuò)來(lái)使其特性下降的碳化硅器件，高品質(zhì)單晶及外延層是必要的。碳化硅有許多沿C軸、一個(gè)改變低能量序列結(jié)果的不同原子堆積序列的類型。在6H- SiC里，一個(gè)肖克利層錯(cuò)能只有2.9 mJ/m2，而4H-碳化硅是14.7+2.5 mJ/m2。作為一個(gè)結(jié)論，碳化硅里的堆垛層錯(cuò)比在其他材料里更容易形成，因此，堆垛層錯(cuò)已經(jīng)在碳化硅晶體和

7、外延結(jié)構(gòu)中成為代表性缺陷。</p><p>　　最近，在用氬氣氧化和退火的過(guò)程中，已經(jīng)觀察到在高度摻雜的4H-碳化硅里堆垛層錯(cuò)的形成。提出了幾種不同的形成機(jī)理。Okojie等人提出在P型4H碳化硅基體上氧化過(guò)程沉積的摻雜氮的4H碳化硅同質(zhì)外延層中，有堆垛層錯(cuò)形成。通過(guò)TEM，以一個(gè)3C立方堆積順序排列的堆垛層錯(cuò)帶已經(jīng)觀察到。此外，在2.5 eV時(shí)，能觀察到一個(gè)陰極射線峰并用來(lái)解釋是因?yàn)?H-碳化硅中3C夾雜物。在

8、氬氣氣氛和同樣的條件下，退火的樣品顯示了同樣的化學(xué)發(fā)光規(guī)律。作者認(rèn)為，堆垛層錯(cuò)的形成時(shí)由于在外延層和基體間摻雜不同所誘導(dǎo)的應(yīng)力。</p><p>　　Skromme等人觀察到，在氧化后，帶有微量氮的外延層的高摻雜4H-碳化硅基體的彎曲。發(fā)生彎曲的區(qū)域通過(guò)與同步白束X射線圖像的對(duì)比，顯示出高的位錯(cuò)相關(guān)性。發(fā)光光譜顯示：發(fā)光帶鄰近3C- SiC的特征性發(fā)射。作者認(rèn)為：氧化引起間隙的貫通可作為3C型夾雜物的一個(gè)可能的形

9、成機(jī)理。</p><p>　　前面段落所提到的模型是基于機(jī)械變形和點(diǎn)缺陷貫通兩種有好的記載的很堅(jiān)實(shí)的堆垛層錯(cuò)形成機(jī)理。由機(jī)械變形所致的堆垛層錯(cuò)形成在4H- SiC中能觀察到。Samant等人在550度和1300度之間壓縮n型4H- SiC，超過(guò)1100度，4H- SiC已基面伯格斯矢量為a /3 112¯ 0的位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)變形。這些典型的位錯(cuò)根據(jù)反應(yīng)a /3 112¯ 0 →a /3 101

10、75; 0+ a /3 011¯ 0，被分成開(kāi)頭和結(jié)尾部分的位錯(cuò)。在邊界部分中心，沒(méi)有硅原子就有碳原子，因此并將會(huì)有不同的性質(zhì)。在1300度時(shí)，邊界部分平衡距離間被觀察到在30納米到70納米之間。在700度到110度之間，只有硅中心部分位錯(cuò)在他們后面觀察到宏觀的堆垛層錯(cuò)的移動(dòng)。對(duì)于邊界部分的移動(dòng)，激活的溫度的不同顯然是由于位錯(cuò)中心的不同結(jié)構(gòu)所致。</p><p>　　在硅中存在的點(diǎn)缺陷貫通是另一個(gè)堆垛層

11、錯(cuò)形成機(jī)理。在硅氧化期間，氧原子已經(jīng)被觀察到代替硅原子進(jìn)入間隙位置，該位置上，氧原子在硅氧化物界面附近的（111）面緊密排列形成額外層，這個(gè)額外的（111）面是外在的弗蘭克缺陷。</p><p>　　Miao等人根據(jù)理論計(jì)算、Liu等人根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，最近提出了一個(gè)形成機(jī)理。這些作者認(rèn)為：堆垛層錯(cuò)可以在高度n型摻雜的4H- SiC中自發(fā)形成，因?yàn)榫w能降低自身的能量通過(guò)電子隨著堆垛層錯(cuò)進(jìn)入量子阱狀態(tài)方式。Liu等人

12、觀察在氬氣1150度的高摻雜4H碳化硅晶體中堆垛層錯(cuò)帶的退火。這些層錯(cuò)分布在整個(gè)晶體中，并通過(guò)高清晰TEM被確認(rèn)為雙層肖克利堆垛層錯(cuò)。導(dǎo)致形成堆垛層錯(cuò)的間隙貫通機(jī)理從層錯(cuò)結(jié)構(gòu)方面考慮可以消除。Kuhr等人計(jì)算了由于電子進(jìn)入量子阱狀態(tài)而得到的能量增加，把其作為通過(guò)中性濃度條件的溫度和氮摻雜濃度的一個(gè)函數(shù)。計(jì)算結(jié)果表明，在典型設(shè)備加工溫度下、摻雜濃度比三剩以十的一十九次方更高的4H-SiC晶體里，堆垛層錯(cuò)可以自發(fā)形成，這與Liu等人觀察一致

13、。然而，迄今為止對(duì)于是應(yīng)力作用還是量子阱作用形成堆垛層錯(cuò)，還沒(méi)有確鑿的實(shí)驗(yàn)證據(jù)。</p><p>　　在這項(xiàng)研究中使用的樣品包括通過(guò)化學(xué)氣相沉積生長(zhǎng)的大約2微米厚的N型4H-SiC同質(zhì)外延層。4H-SiC的襯底向101¯ 0削減8度。通過(guò)TEM來(lái)確定自身的結(jié)構(gòu)是自由的堆垛層錯(cuò)。小方片被切下并對(duì)通過(guò)研磨粉研磨無(wú)論是得到的還是引入的損傷表面進(jìn)行退火。氬氣氣氛下的1150度退火進(jìn)行90分鐘。在退火和在形成的任

14、何一面沒(méi)有氧化標(biāo)志的保留的干凈表面，樣品沒(méi)有受到任何明顯的外部壓力源。退火后，4H-SiC片沿外切方向切片并通過(guò)常規(guī)TEM準(zhǔn)備技術(shù)制作成TEM樣品。</p><p>　　圖1 在1150度時(shí)退火后的堆垛層錯(cuò)的傳統(tǒng)TEM圖像。黑色箭頭標(biāo)志外延層表面，白色箭頭指示的是外延層和基體的界面</p><p>　　在沒(méi)有表面損傷的退火過(guò)的樣品里，發(fā)現(xiàn)在2微米厚的外延層橫截圖里，只有一個(gè)或者兩個(gè)堆垛層錯(cuò)

15、。圖一顯示了一個(gè)沒(méi)有表面損傷的樣品的常規(guī)TEM圖像。從右下角向左上角蔓延的暗線對(duì)應(yīng)的堆垛層錯(cuò)呈現(xiàn)疊加效果。在31納米的層錯(cuò)片間平均距離，他們的密度是/32微米。對(duì)應(yīng)的2微米層厚的表面結(jié)構(gòu)，所有的層錯(cuò)在相同的距離終止。用于故意損傷的表面層間的層錯(cuò)密度遠(yuǎn)高于相應(yīng)的沒(méi)有損傷的層一個(gè)數(shù)量級(jí)，我們可以想到大多數(shù)的層錯(cuò)集中在表面并且通過(guò)界面在層間移動(dòng)。</p><p>　　傳統(tǒng)的電子顯微鏡簡(jiǎn)單所述結(jié)果無(wú)法區(qū)分兩種可能的形成機(jī)

16、制：壓力相關(guān)的和QWA形層錯(cuò)成。在QWA模型下，伴隨高于三剩以十的一十九次方的載流子濃度，層錯(cuò)可以在整個(gè)外延層里形成部分結(jié)構(gòu)。對(duì)于應(yīng)力作用形成層錯(cuò)，情況相當(dāng)類似。高摻氮碳化硅預(yù)計(jì)將有一比低摻雜碳化硅更小的晶格參數(shù)，因?yàn)榈哟媪颂荚佣业拥陌霃奖忍荚痈　Ｒ虼?，在低摻雜襯底沉積的高摻雜層的晶格應(yīng)該是張緊的，以便于襯底上形成統(tǒng)一的界面。由于外延層比襯底薄兩個(gè)以上的數(shù)量級(jí)，所以拉伸應(yīng)力場(chǎng)只存在于外延層，且變形也限制在外延層。此外，

17、要注意在拉伸狀態(tài)下的層中，應(yīng)變弛豫在外延層和基體界面應(yīng)該只會(huì)產(chǎn)生一種位錯(cuò)失配的類型。所有的位錯(cuò)應(yīng)該有個(gè)在層里包含的額外半平面的邊緣部分，來(lái)擴(kuò)大從界面到層表。有相反伯格斯矢量標(biāo)志的位錯(cuò)會(huì)增加系統(tǒng)的能量而不是降低它。</p><p>　　我們通過(guò)X射線衍射試圖確定由于摻雜而引起的晶格常數(shù)的改變，但是結(jié)果低于檢測(cè)限?；妫?006）反射顯示只有一個(gè)明確的峰在一半處12SEC很明顯。這使得應(yīng)力作用不可能形成層錯(cuò)。不過(guò)，可

18、以想到，低于X射線技術(shù)的檢測(cè)限的應(yīng)變可以使層錯(cuò)擴(kuò)張，后來(lái)我們將試圖消除這種可能性。</p><p>　　在量子阱模式情況下，剪切方向和額外的半面的方向確實(shí)不重要，如果由于摻雜不同引起的應(yīng)變能量可以忽略，那么在高摻雜層里，用相同的頻率可以觀察到這兩個(gè)方向。事實(shí)上，如果在結(jié)構(gòu)中觀察到的所有的層錯(cuò)是同一個(gè)類型，那么最早大多數(shù)的應(yīng)變自由層會(huì)通過(guò)插入或者額外材料的去除來(lái)張緊。為了減小這種能量，QWA模型應(yīng)該在相同的比列下產(chǎn)

19、生兩種類型的層錯(cuò)。</p><p>　　圖2 一個(gè)雙重堆垛層錯(cuò)的兩個(gè)邊界部分向下額外面的高分辨TEM圖像。伯格斯線路和矢量用圓圈和箭頭標(biāo)記。由于基面傾向外延層表面8度，所以圖像左邊指向結(jié)構(gòu)的表面。</p><p>　　通過(guò)高分辨TEM，對(duì)大約40種堆垛層錯(cuò)進(jìn)行了研究。他們所有都有包含一立方堆積順序排列的六層的結(jié)構(gòu)。這些結(jié)構(gòu)與Okojie和LIU等人報(bào)道一致，對(duì)應(yīng)于在兩相鄰基面上通過(guò)部分位錯(cuò)

20、的滑動(dòng)形成的雙層堆垛層錯(cuò)。10種堆垛層錯(cuò)的末端通過(guò)高分辨TEM被觀察到，如圖2和3所示的兩個(gè)例子。圖2的(a)(b)顯示的是一對(duì)肖克利層錯(cuò)的兩邊界部分的高分辨TEM圖像。圖的左邊對(duì)應(yīng)于層的頂部，基面朝結(jié)構(gòu)表面傾斜8度，堆垛層錯(cuò)從圖的左邊移動(dòng)到右邊。在圖2a的左邊，可以看見(jiàn)一對(duì)肖克利層錯(cuò)一個(gè)堆垛序列：（2.6.2）。在右邊，序列變成（2.2.1.3.2），對(duì)應(yīng)于一個(gè)單獨(dú)的肖克利層錯(cuò)。這意味著圖像包含一個(gè)雙層錯(cuò)邊界的部分位錯(cuò)。圖中繪制的伯格

21、斯線路顯示：該位錯(cuò)是伯格斯矢量為？（箭頭所示）的一個(gè)肖克利層錯(cuò)部分。額外的半平面和位錯(cuò)是朝下向襯底。圖2b表明同樣堆垛層錯(cuò)的高解析度的圖像就像圖2a，其還包含另一個(gè)雙層層錯(cuò)的復(fù)層。它在圖2a中位于離顯示的區(qū)域30納米。在圖2b中，堆垛序列由一個(gè)單獨(dú)的肖克利層錯(cuò)變?yōu)橥暾?H-SIC序列。伯格斯線路表明：在圖2a中，部分位錯(cuò)也是一個(gè)由相同伯格斯矢量的肖克利部分層錯(cuò)。伯格斯矢量用箭頭標(biāo)記</p><p>　　圖3 向

22、上的額外面的兩邊界部分的高分辨TEM圖像。伯格斯線路和矢量用圓圈和箭頭標(biāo)記</p><p>　　圖3顯示了另一對(duì)終止在外延層/基體界面的肖克利層錯(cuò)的兩個(gè)邊界部分的高解析度TEM圖像。圖3a和b的取向和內(nèi)容與圖2相似。在圖3a中，一對(duì)肖克利層錯(cuò)變成了隨著圖3b所示變成完整4H-SiC堆垛序列的一個(gè)單獨(dú)的肖克利層錯(cuò)。對(duì)于圖3兩部分的額外面的位置與圖2的不同：兩個(gè)平面向下指向表面，且他們存在外延里。</p>

23、<p>　　這個(gè)單獨(dú)的觀察由于摻雜不同所引起的應(yīng)力誘導(dǎo)作為形成層錯(cuò)的動(dòng)力。有人可能會(huì)問(wèn)，但是，如果生長(zhǎng)里的缺陷形成的局部應(yīng)力誘導(dǎo)可能會(huì)有效的。答案似乎是否定的。研究中分析的兩個(gè)雙層錯(cuò)只有80納米的距離，他們有不同的伯格斯矢量痕跡。因此，導(dǎo)致擴(kuò)張的剪應(yīng)力必須在小距離下扭轉(zhuǎn)這個(gè)痕跡；是一個(gè)極不可能的結(jié)果。</p><p>　　總之，我們已經(jīng)通過(guò)高解析度TEM分析了在重?fù)诫s的n型4H-SiC外延層里擴(kuò)張堆