IntroductionIntroduction

Lecarbure de silicium 4H (4H-SiC) est un matériau crucial pour les appareils électroniques de haute puissance de nouvelle génération, l’électronique RF/ micro-ondes et la technologie de l’information quantique en raison de ses propriétés physiques exceptionnelles, y compris un large espace de bande passante (~ 3,26 eV), une grande mobilité des supports (~1000 cm²/V· S), une conductivité thermique élevée (~490 W/m·K), et une excellente stabilité chimique. Cependant, la présence de densités de dislocation allant jusqu’à 10³ ~ 10⁴ cm⁻² nuit considérablement à ses performances et représente un obstacle majeur à la pleine réalisation de son potentiel. Cet article traite des caractéristiques, des mécanismes de formation, des comportements de transformation et des impacts des dislocations dans les monocristaux 4H-SiC. Il analyse également leur évolution au cours du traitement et de l’épitaxie et explore les orientations de recherche futures et les perspectives d’application.

1. Types et Distribution des Dislocations dans les monocristaux 4H-SiC

1.1 Dislocations de filetage (TDs)

Les dislocations de filetage sont le type le plus courant de dislocations dans les monocristaux 4H-SiC, avec des lignes de dislocation s’étendant le long de l’axe \(c\) du cristal. En fonction des caractéristiques du vecteur Burgers, les dt sont classés comme suit:

-Micropipes (MPs): une forme extrême de dislocations de vis avec de grands vecteurs de Burgers (typiquement > 1 période de grille). Malgré une faible densité (< \(0.1 \, ext{cm}^{-2}\)), les mp sont très préjudiciables aux performances des périphériques.

- Dislocations de vis de filetage (TSDs): Dislocations avec des vecteurs de Burgers parallèles à l’axe \(c\). Leur densité varie de \(300 \sim 500 \, ext{cm}^{-2}\), et ils contribuent principalement au courant de fuite et à la réduction de la tension de rupture.

-filetage de Dislocations mixtes (TMDs): combinant les caractéristiques de vis et de bord, avec des densités similaires à TSDs.

-dislocations des bords de filetage (TEDs): Dislocations avec des vecteurs de Burgers perpendiculaires à la ligne de dislocation, présentant des densités allant jusqu’à \(2000 \sim 5000 \, ext{cm}^{-2}\).

1.2 Dislocations du plan Basal (BPDs)

Les BPD se glissent dans le plan basal \((0001) \) et peuvent être divisées en:

- BPDs intégrés: groupes de lignes de dislocation reliées entre elles.

- BPD décomposées: lignes de dislocation individuelles glissant librement dans le plan basal.

La densité BPD typique est \(500 \sim 1000 \, ext{cm}^{-2}\). Lors du fonctionnement d’un appareil à haute puissance, les BPD peuvent se transformer en TEDs ou se développer pour former d’autres types de défauts, ce qui entraîne une dégradation des performances.

2. Mécanismes de Formation et comportements de Transformation des Dislocations

2.1 mécanismes de Formation

-contrainte thermique: les gradients de température pendant la croissance des cristaux sont les principaux facteurs de formation de dislocation.

-héritage de cristal de semence: les TDs dans les cristaux de semence se propagent dans la direction de la croissance, montrant l’héritage significatif.

-Inclusions et vides: la concentration du Stress induite par les inclusions et vides pendant la croissance déclenche des dislocations.

- îlots de nucléation 2d: des étapes de croissance inégales peuvent conduire à un désalignement de la grille et à la génération de défauts.

2.2 comportements de Transformation

-Interconversion entre Dislocations:

   Les députés et les TSD peuvent se transformer l’un en l’autre.

   Les TDS peuvent évoluer vers des défauts d’empilage de type Frank-type dans des conditions particulières.

-Annihilation des Dislocations:

 Les TDS peuvent s’annihiler par des interactions mutuelles au cours de la croissance, ce qui réduit la densité globale des défauts.

Évolution du BPD:

 Sous contrainte thermique, certains BPD peuvent glisser vers d’autres plans et se convertir en ted.

3. Évolution de la Dislocation pendant le traitement et l’épitaxie

3.1 traitement

Le traitement monocristallin 4H-SiC comprend plusieurs étapes telles que la coupe de fil, le meulage et le polissage mécanique chimique (CMP). Les contraintes mécaniques au cours de ces étapes entraînent:

- déformation élastique et plastique: Extension et interaction des dislocations.

- Formation et Propagation des fissures: détérioration localisée de la structure.

- effets dopants: des concentrations élevées de dopage (jusqu’à \(10^{18} \, ext{cm}^{-3}\)) interfèrent de manière significative avec la cinétique de nucléation BPD.

3.2 épitaxie homogène

Pendant l’épitaxie homogène, les dislocations du substrat influencent fortement la qualité de la couche épitaxiale:

- plus de 95% des TSD se propagent dans la couche épitaxiale, formant des dislocations de filetage.

- la plupart des BPD se transforment en TEDs au cours des étapes initiales, bien que certaines persistent en tant que BPD, posant des risques latents pour les performances des appareils.

4. Impacts des Dislocations sur la Performance des matériaux

4.1 propriétés électriques

- TSDs: servent de voies de fuite, aggravant les effets de fuite et réduisant la tension de panne du dispositif.

- les BDP: agissent comme des centres de recombinaison de trous d’électrons, diminuant la conduction vers l’avant et diminuant la capacité de blocage inverse.

4.2 propriétés optiques

Les Dislocations peuvent agir comme des centres de recombinaison radiative, provoquant des phénomènes de photoluminescence. En modulant les longueurs d’onde d’émission induites par la dislocation, les chercheurs peuvent étudier la distribution et les caractéristiques des défauts à l’intérieur des cristaux.

4.3 analyse microscopique

La gravure à l’alcali fondu est une méthode efficace pour étudier les dislocations. La morphologie et la distribution des fosses de gravure révèlent des distorsions locales dans la grille, ce qui fournit des informations précieuses sur la mesure de la densité des défauts et l’identification du type de dislocation.

5. Perspectives et Conclusions

Au fur et à mesure que la recherche sur les dislocations dans les monocristaux 4H-SiC s’approfondit, une analyse complète de leurs mécanismes de génération, de propagation et de transformation fournira un appui solide pour l’optimisation des matériaux. Les orientations de recherche futures comprennent:

- développement de cristaux de semence de haute qualité: pour réduire la densité initiale des défauts.

- amélioration des Techniques de croissance épitaxiale: optimisation des processus de dépôt chimique de vapeur (CVD) pour atténuer efficacement les dislocations.

- contrôle des contraintes et traitements thermiques: utilisation de techniques de recuit pour favoriser l’anéantissement par dislocation.

- conception de dispositifs novateurs: développement d’architectures de dispositifs tolérants aux pannes pour atténuer les impacts négatifs des dislocations.

Grâce à ces approches, les performances des matériaux 4H-SiC dans les applications à haute puissance et à haute fréquence seront encore améliorées, ce qui facilitera leur large adoption dans l’industrie des semi-conducteurs et ouvrira la voie à un avenir plus prometteur.