Forschungshintergrund
Anwendungsbedeutung von Siliziumkarbid (SiC): Als Halbleitermaterial mit großer Bandlücke hat Siliziumkarbid aufgrund seiner hervorragenden elektrischen Eigenschaften (wie größere Bandlücke, höhere Elektronensättigungsgeschwindigkeit und Wärmeleitfähigkeit) große Aufmerksamkeit auf sich gezogen. Aufgrund dieser Eigenschaften wird es häufig in der Herstellung von Hochfrequenz-, Hochtemperatur- und Hochleistungsgeräten eingesetzt, insbesondere im Bereich der Leistungselektronik.
Einfluss von Kristalldefekten: Trotz dieser Vorteile von SiC bleiben Defekte in Kristallen ein großes Problem, das die Entwicklung von Hochleistungsgeräten behindert. Diese Mängel können zu einer Verschlechterung der Geräteleistung führen und die Gerätezuverlässigkeit beeinträchtigen.
Röntgentopologische Bildgebungstechnologie: Um das Kristallwachstum zu optimieren und die Auswirkungen von Defekten auf die Geräteleistung zu verstehen, ist es notwendig, die Defektkonfiguration in SiC-Kristallen zu charakterisieren und zu analysieren. Die topologische Röntgenbildgebung (insbesondere unter Verwendung von Synchrotronstrahlungsstrahlen) ist zu einer wichtigen Charakterisierungstechnik geworden, mit der hochauflösende Bilder der inneren Struktur des Kristalls erstellt werden können.
Forschungsideen
Basierend auf der Raytracing-Simulationstechnologie: Der Artikel schlägt die Verwendung der Raytracing-Simulationstechnologie basierend auf dem Orientierungskontrastmechanismus vor, um den in tatsächlichen topologischen Röntgenbildern beobachteten Defektkontrast zu simulieren. Diese Methode hat sich als wirksame Methode zur Untersuchung der Eigenschaften von Kristalldefekten in verschiedenen Halbleitern erwiesen.
Verbesserung der Simulationstechnologie: Um die unterschiedlichen Versetzungen, die in 4H-SiC- und 6H-SiC-Kristallen beobachtet werden, besser zu simulieren, verbesserten die Forscher die Raytracing-Simulationstechnologie und integrierten die Effekte der Oberflächenrelaxation und der photoelektrischen Absorption.
Forschungsinhalte
Analyse der Versetzungstypen: Der Artikel untersucht systematisch die Charakterisierung verschiedener Versetzungstypen (z. B. Schraubenversetzungen, Kantenversetzungen, gemischte Versetzungen, Basalebenenversetzungen und Versetzungen vom Frank-Typ) in verschiedenen Polytypen von SiC (einschließlich 4H und 6H) mithilfe von Raytracing Simulationstechnik.
Anwendung der Simulationstechnologie: Die Anwendung der Raytracing-Simulationstechnologie unter verschiedenen Strahlbedingungen wie schwacher Strahltopologie und ebener Wellentopologie sowie die Bestimmung der effektiven Eindringtiefe von Versetzungen durch Simulationstechnologie werden untersucht.
Kombination von Experimenten und Simulationen: Durch den Vergleich der experimentell gewonnenen topologischen Röntgenbilder mit den simulierten Bildern wird die Genauigkeit der Simulationstechnologie bei der Bestimmung des Versetzungstyps, des Burgers-Vektors und der räumlichen Verteilung der Versetzungen im Kristall überprüft.
Forschungsergebnisse
Wirksamkeit der Simulationstechnologie: Die Studie zeigt, dass die Raytracing-Simulationstechnologie eine einfache, zerstörungsfreie und eindeutige Methode ist, um die Eigenschaften verschiedener Arten von Versetzungen in SiC aufzudecken und die effektive Eindringtiefe von Versetzungen effektiv abzuschätzen.
3D-Versetzungskonfigurationsanalyse: Durch Simulationstechnologie können 3D-Versetzungskonfigurationsanalysen und Dichtemessungen durchgeführt werden, was für das Verständnis des Verhaltens und der Entwicklung von Versetzungen während des Kristallwachstums von entscheidender Bedeutung ist.
Zukünftige Anwendungen: Es wird erwartet, dass die Raytracing-Simulationstechnologie weiterhin auf Hochenergietopologien sowie laborbasierte Röntgentopologien angewendet wird. Darüber hinaus lässt sich diese Technologie auch auf die Simulation von Defekteigenschaften anderer Polytypen (z. B. 15R-SiC) oder anderer Halbleitermaterialien erweitern.
Abbildungsübersicht
Abb. 1: Schematische Darstellung des Aufbaus der topologischen Röntgenbildgebung mit Synchrotronstrahlung, einschließlich Transmissionsgeometrie (Laue), Rückreflexionsgeometrie (Bragg) und Geometrie des streifenden Einfalls. Diese Geometrien werden hauptsächlich zur Aufnahme topologischer Röntgenbilder verwendet.
Abb. 2: Schematische Darstellung der Röntgenbeugung des verzerrten Bereichs um die Schraubenversetzung. Diese Abbildung erläutert die Beziehung zwischen dem einfallenden Strahl (s0) und dem gebeugten Strahl (sg) mit der lokalen Beugungsebenennormalen (n) und dem lokalen Bragg-Winkel (θB).
Abb. 3: Rückreflexions-Röntgentopographiebilder von Mikropipes (MPs) auf einem 6H-SiC-Wafer und der Kontrast einer simulierten Schraubenversetzung (b = 6c) unter denselben Beugungsbedingungen.
Abb. 4: Mikroröhrenpaare in einem Rückreflexions-Topografiebild eines 6H-SiC-Wafers. Bilder derselben MPs mit unterschiedlichen Abständen und MPs in entgegengesetzter Richtung werden durch Raytracing-Simulationen angezeigt.
Abb. 5: Dargestellt sind Röntgentopographiebilder mit streifendem Einfall von Schraubenversetzungen mit geschlossenem Kern (TSDs) auf einem 4H-SiC-Wafer. Die Bilder zeigen einen erhöhten Kantenkontrast.
Abb. 6: Dargestellt sind Raytracing-Simulationen von Röntgentopographiebildern mit streifendem Einfall von links- und rechtshändigen 1c-TSDs auf einem 4H-SiC-Wafer.
Abb. 7: Dargestellt sind Raytracing-Simulationen von TSDs in 4H-SiC und 6H-SiC, die Versetzungen mit unterschiedlichen Burgers-Vektoren und Polytypen zeigen.
Abb. 8: Zeigt die topologischen Röntgenbilder mit streifendem Einfall verschiedener Arten von Threading Edge Dislocations (TEDs) auf 4H-SiC-Wafern sowie die mit der Raytracing-Methode simulierten topologischen TED-Bilder.
Abb. 9: Zeigt die topologischen Röntgenrückreflexionsbilder verschiedener TED-Typen auf 4H-SiC-Wafern und den simulierten TED-Kontrast.
Abb. 10: Zeigt die Raytracing-Simulationsbilder von Mixed Threading Dislocations (TMDs) mit spezifischen Burgers-Vektoren und die experimentellen topologischen Bilder.
Abb. 11: Zeigt die topologischen Rückreflexionsbilder von Basalebenenversetzungen (BPDs) auf 4H-SiC-Wafern und das schematische Diagramm der simulierten Kantenversetzungskontrastbildung.
Abb. 12: Zeigt die Raytracing-Simulationsbilder von rechtsdrehenden helikalen BPDs in verschiedenen Tiefen unter Berücksichtigung von Oberflächenrelaxation und photoelektrischen Absorptionseffekten.
Abb. 13: Zeigt die Raytracing-Simulationsbilder rechtsdrehender helikaler BPDs in verschiedenen Tiefen und die topologischen Röntgenbilder mit streifendem Einfall.
Abb. 14: Zeigt das schematische Diagramm von Basalebenenversetzungen in jede Richtung auf 4H-SiC-Wafern und wie man die Eindringtiefe durch Messung der Projektionslänge bestimmt.
Abb. 15: Der Kontrast von BPDs mit unterschiedlichen Burgers-Vektoren und Linienrichtungen in den topologischen Röntgenbildern mit streifendem Einfall und die entsprechenden Ergebnisse der Raytracing-Simulation.
Abb. 16: Dargestellt sind das Raytracing-Simulationsbild des rechtshändig abgelenkten TSD auf dem 4H-SiC-Wafer und das topologische Röntgenbild mit streifendem Einfall.
Abb. 17: Dargestellt sind die Raytracing-Simulation und das experimentelle Bild des abgelenkten TSD auf dem um 8° versetzten 4H-SiC-Wafer.
Abb. 18: Dargestellt sind die Raytracing-Simulationsbilder der abgelenkten TSD und TMDs mit unterschiedlichen Burgers-Vektoren, aber gleicher Linienrichtung.
Abb. 19: Dargestellt sind das Raytracing-Simulationsbild von Versetzungen vom Frank-Typ und das entsprechende topologische Röntgenbild mit streifendem Einfall.
Abb. 20: Dargestellt sind das durchgelassene Röntgenbild der Mikroröhre auf dem 6H-SiC-Wafer und das Raytracing-Simulationsbild.
Abb. 21: Dargestellt sind das monochromatische topologische Röntgenbild mit streifendem Einfall der axial geschnittenen Probe von 6H-SiC und das Raytracing-Simulationsbild der BPDs.
Abb. 22: zeigt die Raytracing-Simulationsbilder von BPDs in axial geschnittenen 6H-SiC-Proben bei verschiedenen Einfallswinkeln.
Abb. 23: zeigt die Raytracing-Simulationsbilder von TED, TSD und TMDs in axial geschnittenen 6H-SiC-Proben unter streifender Einfallsgeometrie.
Abb. 24: zeigt die topologischen Röntgenbilder von abgelenkten TSDs auf verschiedenen Seiten der isoklinen Linie auf dem 4H-SiC-Wafer und die entsprechenden Raytracing-Simulationsbilder.
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Zeitpunkt der Veröffentlichung: 18.06.2024