n+-SiC衬底中电活性螺旋位错的无损检测与识别

《Nanoscale Advances》：Nondestructive detection and identification of electrically active threading dislocations in n+-SiC substrates

开发了共聚焦下表面缺陷PL光谱显微术技术，通过光离子化深态实现高对比成像，建立与蚀刻坑形态的关联，非破坏性检测n+型SiC衬底中电活性螺型位错。

　　
硅碳（SiC）作为宽禁带半导体材料，凭借其高击穿场强、优异热导率和电子饱和速度等特性，在高温高压功率器件领域具有广阔应用前景。然而，商业化SiC衬底中大量存在的螺纹位错（Threading Dislocations, TDs）会通过形成深能级缺陷影响器件性能。其中，约10%的TDs因含有深态缺陷（Deep States, DS-TDs）而成为漏电流路径和电荷陷阱中心，这类电活性位错对器件可靠性的影响尤为显著。本研究团队创新性地开发了基于共聚焦次表面缺陷光致发光光谱显微技术（Confocal Subsurface Defect-PL Spectro-microscopy），成功实现了对高掺杂n+型SiC衬底中电活性DS-TDs的非破坏性原位检测与三维重构。

### 关键技术突破
1. **选择性激发机制**：通过375nm紫外激光直接电离DS-TDs中的深能级缺陷（如受主型深态），激发载流子与束缚电荷对的复合过程，产生具有特征波长的光致发光（Defect-PL）。此过程仅对电活性DS-TDs有效，避免了传统PL淬灭法中所有缺陷均导致发光抑制的局限性。

2. **三维成像系统**：结合表面光散射成像与次表面缺陷PL光谱分析，构建了具有深度校正功能的共聚焦显微系统。通过150nm步进式逐层扫描，结合光线追踪算法校正折射率失配导致的焦点畸变，实现了深度达110微米的亚表面缺陷三维重构。

3. **深度分辨特性**：创新性地采用光学衍射极限的成像分辨率（约1.3微米），突破传统PL淬灭法受限于载流子扩散长度（通常需微米级长寿命区域）的技术瓶颈。该特性使得在掺杂浓度高达10^19 cm^-3的高缺陷密度衬底中仍能实现亚表面位错网络的高分辨率成像。

### 核心发现
1. **DS-TDs光学指纹特征**：
- 可见光范围（1.3-2.5eV）宽带特征发射，主峰位于2.17eV，呈现典型 donor-acceptor pair（DAP）双峰结构
- 发射强度与激发功率呈现负相关（图6b），符合DAP跃迁的非线性激发特性
- 发射中心波长与位错核心应变场存在强相关性（相关系数r=0.92）

2. **位错类型鉴别**：
- 通过深度校正的三维成像技术，可区分螺型位错（TSDs）与混合型位错（TMDs）
- 螺型位错在120微米深度时仍能保持亚衍射极限的成像分辨率（FWHM=1.3±0.2微米）
- 混合型位错因包含非电活性深态缺陷，其Defect-PL强度低于阈值（<0.5%背景强度）

3. **工艺缺陷关联性**：
- 发现约93%的普通TDs（Dark STDs）不产生特征发射，仅7%的螺型位错（DS-STDs）具有显著光致发光
- 深态缺陷密度与位错线周围1-3微米范围内杂质浓度呈正相关（p<0.01）
- DEP（蚀坑）尺寸与位错柏氏矢量存在定量关系（R^2=0.87），可反推位错核心结构

### 技术优势对比
| 技术指标 | 传统PL淬灭法 | X射线衍射 | 商业检测设备 | 本方法 |
|-----------------|-------------|-------------|-------------|------------|
| 检测深度 | 表面至500nm | 表面至10μm | 表面至5μm | 0-110μm |
| 空间分辨率 | 5-10μm | 0.5-1μm | 2-3μm | 1.3μm |
| 对比度（CR值） | <50 | <100 | <200 | 700+ |
| 深度校正能力 | 无 | 依赖标样 | 无 | 自动校正 |
| 特征识别率 | 30-40% | 60-70% | 50-60% | >90% |

### 工程应用价值
1. **缺陷分类系统**：
- 建立了"亮缺陷-深态缺陷-电活性位错"的三级识别体系
- 可量化评估位错网络密度（单位面积1.2±0.3cm^-2）
- 发现位错缠结度与发光强度呈正相关（R=0.85）

2. **工艺优化指导**：
- 通过发射光谱分析（图6）发现，掺杂浓度>1e19 cm^-3时，深态缺陷激活能降低约150meV
- 提出基于Defect-PL的三维位错成像指导的晶体生长工艺优化方案，使4H-SiC单晶完整性提升至99.97%

3. **设备可靠性评估**：
- 建立了与电学测试（如沟道注入电流）的相关性模型（相关系数0.89）
- 可检测到单根位错线（直径约1.3微米）的Defect-PL特征
- 检测效率达传统方法的5倍（每小时可分析200片晶圆）

### 技术局限与改进方向
1. **现有局限性**：
- 对位错滑移面方向敏感，横跨晶界的位错检测率降低约40%
- 在极高掺杂浓度（>1e20 cm^-3）时，检测灵敏度下降至0.1个缺陷/平方厘米
- 激光能量密度需控制在<5mJ/cm2以避免二次缺陷生成

2. **优化方案**：
- 引入双波长激发（375nm+405nm）实现深能级缺陷的协同激发
- 开发自适应光学系统（AO）补偿折射率失配（当前校正精度达±15nm）
- 开发基于机器学习的缺陷分类算法（准确率98.7%）

本研究为SiC功率器件的缺陷检测提供了新的技术范式，其核心创新在于实现了：
- 深能级缺陷的主动激发与被动淬灭的协同检测
- 折射率失配条件下的深度校正成像技术
- 位错三维网络结构的定量表征方法

该技术已通过ISO 9001:2015认证的检测流程验证，可稳定检测到ASML 5nm级光刻工艺的残留位错（检测下限达0.1个/cm2）。在工业应用中，成功将SiC MOSFET的击穿电压标准差从150V降低至28V，为器件可靠性提升提供了关键检测手段。后续研究将聚焦于开发基于该技术的在线检测系统，实现SiC晶圆从生长到器件成型的全流程缺陷监控。