6H_SiC單晶_0001_Si_面的表面生長形貌

1、第33卷第3期人工晶體學報Vol.33No.32004年6月JOURNALOFSYNTHETICCRYSTALSJune,20046H2SiC單晶(0001)Si2面的表面生長形貌韓榮江,王繼揚,胡小波,董捷,李現(xiàn)祥,李娟,王麗,徐現(xiàn)剛,蔣民華(山東大學晶體材料國家重點實驗室,濟南250100)摘要:利用光學顯微鏡的反射模式觀察了升華法生長的6H2SiC單晶(0001)Si2面的生長形貌,應(yīng)用臺階儀測定了生長臺階高度。實驗發(fā)現(xiàn),6H2SiC單晶的生長臺階呈螺旋狀,生長臺階呈現(xiàn)出了韻律束合現(xiàn)象。在單晶中間部分,生長臺階稀疏,臺面較寬,約80m左右,臺階高度較小,約2050nm,比較寬的臺面上存在

2、小生長螺旋。外圍單晶區(qū)域,生長臺階比較密集,其臺階高度較大,約300700nm,臺面寬度較小,約25m。生長臺階在前進過程中受單晶中的微管缺陷影響,在微管的附近出現(xiàn)彎曲。關(guān)鍵詞:6H2SiC單晶;表面生長形貌;生長臺階;韻律束合現(xiàn)象中圖分類號:O781文獻標識碼:A2985X(2004)0320335204SurfaceG(2faceof6H2SiCSingleCrystalHANRong2jiang,WANGJi2yang,HUXiao2bo,DONGJie,LIXian2xiang,LIJuan,WANGLi,XUXian2gang,JIANGMin2hua(StateKeyLaborat

3、oryofCrystalMaterials,ShandongUniversity,Jinan250100,China)(Received9January2004)Abstract:Surfacegrowthmorphologyof(0001)Si2faceof6H2SiCsinglecrystalgrownbysublimationwasobservedbyopticalmicroscopyinthereflectionmode.Thegrowthstepheightwasdeterminedbyusingsurfaceprofiler.Rhythmicbunchingphenomenaoft

4、hegrowthstepwasobserved,itsterracewidthbetweenthegrowthstepsisapproximately80mandthegrowthstepheightrangesfrom20to50nm.Amicro2spiralthatliesonthelargeterracewasalsoobserved.Intheperipheryregionof6H2SiCsinglecrystal,thedensegrowthstepshavebigstepheightsof300to700nmandsmallterracewidthof2to5m,approxim

5、ately.Thegrowthstepinthedevelopmentprocessisaffectedbymicropipedefectinthesinglecrystal,andthegrowthsteparoundmicropipeistortuous.Keywords:6H2SiCsinglecrystal;surfacegrowthmorphology;growthstep;rhythmicbunchingphenomena1引言碳化硅(SiC)是極具吸引力的半導體材料之一,它具有寬帶隙、高熱導率、高臨界擊穿場強、高電子飽和遷移速率等優(yōu)點。SiC基半導體微電子器件和光電子器件,目前得

6、到了較大發(fā)展,可應(yīng)用于高溫、大功率、強輻射等條件。絕大多數(shù)SiC基器件并非直接在SiC晶片上制造,而是在SiC襯底上外延更高質(zhì)量的SiC薄層來制造。SiC基器件的研究與發(fā)展促進了高質(zhì)量大尺寸體塊SiC單晶生長和外延SiC薄怪技術(shù)1的發(fā)展。收稿日期:2004201209基金項目:國家863計劃(No.2001AA311080)和國家自然科學基金(No.60025409)資助項目作者簡介:韓榮江(19712),男,山東省人,博士研究生。E2mail:hanrj通訊作者:王繼場,E2mail:jywang;徐現(xiàn)剛,E2mail:xxu336人工晶體學報第33卷因此,生長高質(zhì)量的SiC單晶襯底顯得尤為

7、重要。目前,升華法2生長大尺寸SiC單晶是常用的方法之一。本文利用光學顯微鏡的反射模式對升華法生長的6H2SiC單晶的(0001)生長面進行了觀察,應(yīng)用臺階儀測量了生長臺階,對6H2SiC單晶(0001)生長面呈現(xiàn)的形貌像做了解釋。2實驗部分利用GRV2120型單晶生長爐(LinnHighThermGmbH,Germany),采用升華法生長<50mm6H2SiC單晶,該設(shè)備采用中頻感應(yīng)加熱方式,用光學高溫計測量溫度。采用6H2SiC籽晶(0001)Si2面作生長面,單晶生長過程中,生長室壓力控制在5×1021×104Pa范圍;籽晶溫度為21002250°C;

8、溫度梯度控制在3050°C/cm,Ar氣流量為100200ml/min。采用OlympusBX51型光學顯微鏡的反射模式觀察晶體的表面生長形貌。采用XP22型臺階儀(AmbiosTechnology,Inc,USA)對晶體表面的生長臺階高度做了測量,其垂直方向分辨率為0115nm,橫向分辨率為011m,測量方式為探針接觸式,實驗中掃描速度為0110mm/s,測量力為0110mg。3結(jié)果與討論應(yīng)用光學顯微鏡的反射模式觀察6H2SiC(0001)Si2,靠近中心的第一圈生長臺階呈圓形,呈現(xiàn)出所謂的韻律束合現(xiàn)象。,主要取決于臺階的粗糙程度,如果臺階是粗糙的,呈現(xiàn)為圓形。反之,即扭曲密度小,

9、生長速度慢,臺階的前進就受晶面上的結(jié)晶方位各向異性的影響,臺階呈現(xiàn)為六邊形。生長臺階的形狀也反映出了晶面的對稱性,6H2SiC的0001軸為六重軸,因此6H2SiC(0001)面上的臺階出現(xiàn)了六邊形特征。兩個六邊形棱方向的臺階棱線交于一點,交點處可看成是生長發(fā)生突然變動的地方,它制約著交點處臺階的前進。在交點處由于二維凹入角效應(yīng),六邊形棱方向的臺階前進速度加快。因此,六邊形臺階變成了圓形臺階,如此多次重復就形成了韻律束合現(xiàn)象。應(yīng)用XP22型臺階儀測量生長臺階稀疏處的臺階高度,測量從第1圓形臺階向外,掃描范圍為500m。由圖2所示的測量結(jié)果可以看出,生長表面中間高,向外延伸表面是逐漸降低的。臺階

10、高度在2050nm范圍,臺階與臺階之間的臺面寬度約80m,臺面并不平坦。此外,6H2SiC單晶(0001)Si2面中心處生長面上有較大的臺面,在有些寬臺面上還可以觀察到小的生長螺旋,見圖3所示。目前,6H2SiC單晶中具有1c(c為單胞常數(shù),c=115117nm)Burgers矢量的單位螺位錯密度高達每平方厘米103到104個3。單位螺位錯在晶體生長面上露頭形成小螺旋,小生長臺階,它以位錯線為軸,呈螺旋狀,吸附生長體系中的質(zhì)點呈螺旋生長,永不消失,晶體生長不需要在光滑表面上形成二維核就可在較低的過飽和度下生長。這從圖2不平坦的臺面也得到了驗證。第3期韓榮江等:6H2SiC單晶(001)Si2面

11、的表面生長形貌337若多個螺位錯相鄰,位錯點之間的距離與螺位錯的Burgers矢量方向不同,所形成的螺旋生長臺階的形狀也會改變,圖4為光學顯微鏡反射模式下拍攝的暗場形貌像,上的露頭點,白色長條為包裹體,4,螺旋方向相同的生長臺階與旋轉(zhuǎn)方向相反的生長臺階相遇,。包裹體的存在,。圖56H2SiC單晶沿0001方向生長時容易產(chǎn)生的微管。從圖5看,生長臺階在發(fā)育前進過程中,遇到了微管,由于微管周圍缺陷。23存在應(yīng)力,使微管右下方附近的生長臺階出現(xiàn)彎曲。根據(jù)Frank4提出的關(guān)于微管形成的螺位錯機理,認為SiC單晶中的微管是具有較大Burgers矢量的空芯螺位錯,又稱為超螺位錯。微管的直徑與其對應(yīng)的Bu

12、rgers矢量的模之間的關(guān)系如公式(1)所示。22)(1)D=(b)/(4公式中,D為微管的直徑(m);為晶體的剪切模量(Pa);為晶體的比表面自由能(Jm22);b為位錯的Burgers矢量的模(m)。根據(jù)SiC的=210×1011Pa,=410Jm-25和公式(1)計算得到,直徑D約23m的微管其Burgers矢量約為135nm,相當于6H2SiC單胞常數(shù)c(c=115117nm)的89倍。而單晶硅中的位錯其Burgers矢量約為014nm,與硅相比,該微管算得上具有“巨大”的Burgers矢量。在4H2SiC單晶中,也發(fā)現(xiàn)了具有“巨大”Burgers矢量的微管6。從圖5還可以看

13、出,生長臺階變得比較密集。臺階高度測量結(jié)果如圖6所示,生長臺階的臺階間距較小,約25m左右,但臺階高度較大,一般在300700nm范圍,越向外周方向,表面逐漸降低。發(fā)育前進快的生長臺階,不斷趕上前邊發(fā)育前進慢的臺階,發(fā)生臺階聚并,臺階高度變大。臺階高度變大的臺階前進速度慢下來,后面發(fā)育前進快的生長臺階又能趕上來,和它聚并成更大的臺階。因此,生長臺階之間的臺面寬度變得更小,臺階高度變得更大。338人工晶體學報第33卷4結(jié)論(1)升華法生長的6H2SiC單晶(0001)Si2面生長面的生長臺階為螺旋形,生長臺階存在韻律束合現(xiàn)象,由圓形到六邊形,再發(fā)展成圓形,形成了星狀圖形;(2)在較寬的生長臺面上

14、有小生長螺旋存在;(3)生長螺旋發(fā)源于位錯露頭點或包裹體,生長臺階在前進過程中與單晶中的微管缺陷相遇,生長臺階在微管的附近會出現(xiàn)彎曲。參考123456文獻KimotoT,NishinoH,YooWS,MatsunamiH1GrowthMechanismof6H2SiCinStepControlledEpitaxyJ.JournalofAppliedPhysics,1993,73:726.TairovYuM,TsvetkovVF.InvestigationofGrowthProcessesofIngotsofSiliconCarbideSingleCrystalsJ.JournalofCryst

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