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物理气相传输法生长碳化硅单晶原生表面形貌研究

崔潆心;胡小波;徐现刚

【摘要】晶体的生长原生面在一定程度上能反应出晶体生长机制和晶体缺陷分布

的丰富信息.采用激光共聚焦显微镜偏光拼接技术和原子力显微镜对物理气相传输

法生长的4H、6H-SiC单晶原生小面的表面形貌进行了观察和测试.偏光显微镜和

原子力显微镜测试结果显示4H-SiC原生小面扩展后,其周边趋向于形成六边形的

生长台阶;而6H-SiC原生小面扩展后,其周边趋向于形成圆形的生长台阶.基于

Jackson双层界面模型,从热力学角度计算了4H、6H-SiC单晶的Jackson因子α

分别为33.15和31.87,故导致4H、6H-SiC单晶原生小面台阶形貌差异的是生长

界面的粗糙程度和生长温度.原生面上的微管缺陷是生长台阶的起源,借助原子力显

微镜对多个微管进行了测试.由测试结果可知,微管直径分布在760nm–6.0um之

间,相应的伯格斯矢量绝对值分布在5c～14c,微管直径与伯格斯矢量平方值的商

D/B2分布在11.1～23.6nm–1之间,即通过原子力显微镜测试获得的微管结构数

据不严格遵守Frank理论.

【期刊名称】《无机材料学报》

【年(卷),期】2018(033)008

【总页数】6页(P877-882)

【关键词】碳化硅;原生小面;微管结构

【作者】崔潆心;胡小波;徐现刚

【作者单位】中国工程物理研究院微系统与太赫兹研究中心,成都610200;中国工

程物理研究院电子工程研究所,绵阳621999;山东大学晶体材料国家重点实验室,济

南250100;山东大学晶体材料国家重点实验室,济南250100

【正文语种】中文

【中图分类】O766

SiC单晶材料具有宽禁带、高临界击穿电场、高热导率、高载流子饱和漂移速度和

极好的化学稳定性等特点,制造的器件可应用在高温和高频率、高电压、大功率和

强辐射等苛刻环境下,在白光照明、汽车电子化、雷达通信、石油钻井、航天航空、

核反应堆系统及军事装备等领域有着广泛的应用[1-3]。

SiC是一种天然超晶格,SiC晶体具有200多种同质多型体[4],最常见只有3C、4H、

6H和15R四种晶型,目前可用的块体单晶衬底仅有4H-SiC和6H-SiC。采用物理

气相传输法或升华法生长的SiC单晶的晶型控制依赖于生长温度和压力[5]、温度

梯度[6]和晶体生长的籽晶面[7]等生长参数。Masatoshi等[5]通过60个单晶生长

的实验得知,与6H-SiC单晶生长相比,在低温低压的环境下更易获得稳定的4H-

SiC单晶。Schulze[8]和Straubinger[9]等采用不同籽晶的不同生长面进行生长表

明,只有采用4H-SiC碳面作籽晶才能获稳定的4H晶型,采用其他面作为籽晶容易

导致多型夹杂。综上所述,一般通过调节生长温度、压力、籽晶等参数来控制晶型。

晶体的生长原生面在一定程度上能反映出晶体生长机制和晶体缺陷分布的丰富信息,

通过观察并研究单晶的表面生长形貌,有助于了解晶体的生长机制;同时将表面生

长形貌与生长条件相联系,对优化生长条件进而得到高质量的单晶非常重要[10]。

本工作使用激光共聚焦显微镜和原子力显微镜对物理气相传输法生长的SiC单晶

原生小面的表面形貌进行了观察,并对其呈现的形貌差异做了理论解释。

采用物理气相传输法生长4H-SiC和6H-SiC单晶,单晶生长设备采用中频感应加

热方式。4H-SiC单晶用籽晶()C面做生长面,而6H-SiC单晶用籽晶(0001)Si面做

生长面。在单晶生长过程中,生长腔内典型的压力与籽晶温度分别控制在

102~104Pa和2000~2250℃范围。采用LEXT激光共聚焦显微镜观察晶体原生

小面的生长台阶形貌,其激光光源为405nm,水平分辨率和垂直分辨率分别为

0.12和0.01μm;采用DimensionIcon原子力显微镜对原生小面微管结构进行测

试与表征,其横向分辨率和纵向分辨率分别为0.1和0.01nm。在观察和测试前,

先用8.104×105Pa压缩气体对晶体表面进行除尘处理,然后分别用优级丙酮、无

水乙醇清洗表面。

从晶体生长的观点来看,原生小面是由于生长层的发展而形成的面,随着晶体生长

而延展,总是在晶体生长的终态表面上出现。由文献[11-12]可知,4H-SiC单晶采

用籽晶()C面做生