4H-SiC中基面位错的多维解析：从电子结构到演化机制的战略突破

《Journal of Materials Science & Technology》：Unlocking different types of basal plane dislocations and its evolution in 4H-SiC

本文系统揭示了4H-SiC中基面位错（BPDs）的构效关系，创新性地提出基于X射线形貌术（XRT）消光准则的位错分类方法，首次发现刃型位错特有的427 nm光致发光（PL）峰并阐明其载流子复合机制。通过第一性原理计算证实螺型/刃型BPDs的电子结构差异，并建立其在不同温度场下的形成能模型。研究首次明确BPDs在外延过程中的差异化演化路径：刃型BPDs转化为肖克利堆垛层错（SSFs），而螺型BPDs演变为穿透刃位错（TEDs），为SiC器件缺陷工程提供关键理论支撑。

　　

Highlight

本研究通过第一性原理计算揭示了4H-SiC中两种基面位错（BPDs）的电子结构差异：螺型BPDs呈现局域化缺陷态，而刃型BPDs在费米能级附近引入离散缺陷态。创新性开发交叉衍射矢量法实现BPDs类型精准鉴定，并首次观测到刃型BPDs特有的427 nm光致发光（PL）特征峰。

Band structures and density of states comparison of BPDs

为探究不同类型BPDs的特性，我们对比了两种位错的能带结构和态密度。如图1(a-d)所示，在完美模型的标记位置分别构建了螺型BPD和刃型BPD模型。图1(e-g)显示三种模型的能带结构：完美模型呈现2.15 eV的间接带隙，与已有研究吻合。螺型BPDs的能带结构中观察到局域化缺陷态，其电荷密度分布不重叠；而刃型BPDs在费米能级附近引入离散缺陷态，显著影响载流子传输行为。

Conclusion

本研究阐明了4H-SiC中不同类型BPDs的能带结构特征和光致发光规律。结合单/交叉衍射矢量法，实现了BPDs的精准分类。同时建立了BPDs的形成与演化机制：相较于螺型BPDs，刃型BPDs因更高形成能而在晶体生长的凸温度场中优先形成。关键发现表明，刃型BPDs在外延过程中转化为肖克利堆垛层错（SSFs），而螺型BPDs演变为穿透刃位错（TEDs）。