外文翻譯（中文）--退火過程中高摻雜的4h-sic外延層里堆垛層錯的形成

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： </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：請將該封面與附件裝訂成冊。</p><p>　　附件1：外文資料翻譯譯文</p><p>　　退火過程中高摻雜的4H-SIC外延層里堆垛層錯的形成</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已經(jīng)能通過常規(guī)的和HRTEM觀察到。在退火過程中，層錯形成發(fā)生在氬氣下1150度，持續(xù)90分鐘。所有的層錯都是在兩個(gè)相鄰基底面通過部分位錯的滑動所形成的相同的雙層肖克利層錯。對于在

5、外延層與基體界面的幾個(gè)包含層錯的部分位錯，伯格斯矢量標(biāo)志已經(jīng)通過HRTEM被確定。大約有一半的位錯有相應(yīng)的插入到外延層的額外半平面，但是另一半位錯導(dǎo)致同一半平面從薄膜里去除。進(jìn)一步說，被相反標(biāo)志的位錯包含的兩個(gè)層錯間距僅有80納米。因?yàn)樵谕庋訉雍突w的作為層錯擴(kuò)展動力的摻雜不同，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、擊穿場和熱傳導(dǎo)的性質(zhì)，對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。制造通過層錯和位錯來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比在其他材料里更容易形成，因此，堆垛層錯已經(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程中，已經(jīng)觀察到在高度摻雜的4H-碳化硅里堆垛層錯的形成。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程沉積的摻雜氮的4H碳化硅同質(zhì)外延層中，有堆垛層錯形成。通過TEM，以一個(gè)3C立方堆積順序排列的堆垛層錯帶已經(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)域通過與同步白束X射線圖像的對比，顯示出高的位錯相關(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)的堆垛層錯形成機(jī)理。由機(jī)械變形所致的堆垛層錯形成在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1100度，4H- SiC已基面伯格斯矢量為a /3 112¯ 0的位錯運(yùn)動變形。這些典型的位錯根據(jù)反應(yīng)a /3 112¯ 0 →a /3 101

10、75; 0+ a /3 011¯ 0，被分成開頭和結(jié)尾部分的位錯。在邊界部分中心，沒有硅原子就有碳原子，因此并將會有不同的性質(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在他們后面觀察到宏觀的堆垛層錯的移動。對于邊界部分的移動，激活的溫度的不同顯然是由于位錯中心的不同結(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電子隨著堆垛層錯進(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帶的退火。這些層錯分布在整個(gè)晶體中，并通過高清晰TEM被確認(rèn)為雙層肖克利堆垛層錯。導(dǎo)致形成堆垛層錯的間隙貫通機(jī)理從層錯結(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，堆垛層錯可以自發(fā)形成，這與Liu等人觀察一致

13、。然而，迄今為止對于是應(yīng)力作用還是量子阱作用形成堆垛層錯，還沒有確鑿的實(shí)驗(yàn)證據(jù)。</p><p>　　在這項(xiàng)研究中使用的樣品包括通過化學(xué)氣相沉積生長的大約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TEM來確定自身的結(jié)構(gòu)是自由的堆垛層錯。小方片被切下并對通過研磨粉研磨無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、何一面沒有氧化標(biāo)志的保留的干凈表面，樣品沒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>　　在沒有表面損傷的退火過的樣品里，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

15、。圖一顯示了一個(gè)沒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應(yīng)的堆垛層錯呈現(xiàn)疊加效果。在31納米的層錯片間平均距離，他們的密度是/32微米。對應(yīng)的2微米層厚的表面結(jié)構(gòu)，所有的層錯在相同的距離終止。用于故意損傷的表面層間的層錯密度遠(yuǎn)高于相應(yīng)的沒有損傷的層一個(gè)數(shù)量級，我們可以想到大多數(shù)的層錯集中在表面并且通過界面在層間移動。</p><p>　　傳統(tǒng)的電子顯微鏡簡單所述結(jié)果無法區(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，層錯可以在整個(gè)外延層里形成部分結(jié)構(gòu)。對于應(yīng)力作用形成層錯，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?。因此，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，所以拉伸應(yīng)力場只存在于外延層，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)該只會產(chǎn)生一種位錯失配的類型。所有的位錯應(yīng)該有個(gè)在層里包含的額外半平面的邊緣部分，來擴(kuò)大從界面到層表。有相反伯格斯矢量標(biāo)志的位錯會增加系統(tǒng)的能量而不是降低它。</p><p>　　我們通過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。不過，可

18、以想到，低于X射線技術(shù)的檢測限的應(yīng)變可以使層錯擴(kuò)張，后來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是同一個(gè)類型，那么最早大多數(shù)的應(yīng)變自由層會通過插入或者額外材料的去除來張緊。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。</p><p>　　圖2 一個(gè)雙重堆垛層錯的兩個(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>　　通過高分辨TEM，對大約40種堆垛層錯進(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，對應(yīng)于在兩相鄰基面上通過部分位錯

20、的滑動形成的雙層堆垛層錯。10種堆垛層錯的末端通過高分辨TEM被觀察到，如圖2和3所示的兩個(gè)例子。圖2的(a)(b)顯示的是一對肖克利層錯的兩邊界部分的高分辨TEM圖像。圖的左邊對應(yīng)于層的頂部，基面朝結(jié)構(gòu)表面傾斜8度，堆垛層錯從圖的左邊移動到右邊。在圖2a的左邊，可以看見一對肖克利層錯一個(gè)堆垛序列：（2.6.2）。在右邊，序列變成（2.2.1.3.2），對應(yīng)于一個(gè)單獨(dú)的肖克利層錯。這意味著圖像包含一個(gè)雙層錯邊界的部分位錯。圖中繪制的伯格

21、斯線路顯示：該位錯是伯格斯矢量為？（箭頭所示）的一個(gè)肖克利層錯部分。額外的半平面和位錯是朝下向襯底。圖2b表明同樣堆垛層錯的高解析度的圖像就像圖2a，其還包含另一個(gè)雙層層錯的復(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)的肖克利層錯變?yōu)橥暾?H-SIC序列。伯格斯線路表明：在圖2a中，部分位錯也是一個(gè)由相同伯格斯矢量的肖克利部分層錯。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顯示了另一對終止在外延層/基體界面的肖克利層錯的兩個(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，一對肖克利層錯變成了隨著圖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。對于圖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)作為形成層錯的動力。有人可能會問，但是，如果生長里的缺陷形成的局部應(yīng)力誘導(dǎo)可能會有效的。答案似乎是否定的。研究中分析的兩個(gè)雙層錯只有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