通过畴工程实现组分梯度铁电体中更优越的能量存储性能

《Materials Science and Engineering: A》：Unlocking superior energy storage in compositionally graded ferroelectrics through domain engineering

硅 carbide单晶中黑白色带缺陷的形成机制与抑制策略研究。通过X射线拓扑学(XRT)和X射线衍射(HRXRD)分析发现，传统热场分布引起的非均匀热应力积累是导致基面平面弯曲和缺陷共存的根本原因。实验表明，采用温度场调控结合4°偏轴生长模式，可有效抑制黑白色带缺陷及其关联的位错结构。研究成果为宽禁带半导体单晶的缺陷工程提供了新的理论依据和技术路径。

　　

Jiangfeng Wang|Xuejian Xie|Kerui Chen|Laibin Zhao|Xinglong Wang|Jiaxin Zhang|Li Sun|Xiufang Chen|Xianglong Yang|Xiaobo Hu|Xiangang Xu

山东大学晶体材料国家重点实验室新型半导体研究所，济南，250100，中国

摘要

碳化硅（SiC）基底中的晶体缺陷会显著降低基于其制造的器件的性能。因此，研究缺陷形成机制并优化单晶生长过程至关重要。在这项工作中，应用了X射线拓扑（XRT）和高分辨率X射线衍射（HRXRD）技术来阐明通过物理气相传输（PVT）法生长的4H-SiC晶体中“黑白条纹”缺陷的演变机制。首先，系统性的表征揭示了与黑白条纹缺陷共存的边缘型基面位错（BPDs）的几何构型。机制分析确认局部热弹性应力的积累是导致这些缺陷和基面弯曲的原因。随后，通过热场工程调节热弹性应力，有效抑制了这两种现象。最后，结合4H-SiC的4°偏轴生长模式来解释黑白条纹缺陷的空间选择性分布。所建立的温度场设计与应力调节策略为在偏轴晶体生长中抑制缺陷提供了工程方法。这项研究将为生长系统设计提供指导，为提高宽带隙半导体单晶的质量提供一种可行的方法。

引言

4H-SiC由于其优异的击穿电压、低导通电阻和出色的热导率，已成为下一代电力电子产品的关键材料，在包括电动汽车（EVs）、智能电网系统、轨道交通电气化和增强现实（AR）设备等变革性技术中得到应用[[1], [2], [3], [4], [5]]。大量研究表明，4H-SiC中的晶体缺陷是导致器件性能下降和最终失效的主要因素。通过不断优化PVT生长过程，关键缺陷（包括BPDs、堆垛缺陷（SFs）、微管（MPs）、螺旋位错（TSDs）和螺旋边缘位错（TEDs）的密度已显著降低[[6], [7], [8], [9]]。随着SiC在高性能电子系统、射频应用和极端环境操作中的广泛应用[10,11]，对晶体缺陷的严格控制变得至关重要——即使是纳米级的缺陷也可能严重限制载流子寿命、降低击穿电压并影响长期运行可靠性，这需要原子级别的缺陷工程策略[12,13]。

XRT是一种强大的缺陷检测技术，通过绘制X射线衍射强度分布图来实现对晶体材料内部结构的无损表征[14,15]。该方法已被广泛用于研究SiC单晶中的缺陷。Fujie等人[16]使用同步辐射单色束X射线拓扑（SMBXT）分析了4H-SiC晶圆中的螺旋BPDs，证明了位错深度的变化会导致衍射对比度的不对称。此外，通过原位SMBXT观测[17]，他们的团队研究了氮掺杂4H-SiC中双Shockley堆垛缺陷（DSFs）的扩展动态，确定了它们与氮浓度和温度的依赖性。Harada等人[18]利用SMBXT研究了溶液生长4H-SiC中TEDs向BPDs的转变机制，表明这一转变过程受Burgers矢量取向和台阶流动动力学的共同影响。Hu等人[19]使用SMBXT研究了PVT生长4H-SiC初始生长阶段的螺旋位错复制动态，以及TSDs和螺旋混合位错（TMDs）转变为Frank型堆垛缺陷的偏转机制。随后，Ishiji团队[20]基于SMBXT开发了一种用于深度TSDs的三维结构分析方法。该技术对于识别具有复杂Burgers矢量构型的TMDs具有重要意义。因此，通过XRT深入研究晶体缺陷及其形成机制对于进一步提高SiC材料的性能具有重要意义。

在这项工作中，首次在PVT生长的4°偏轴4H-SiC晶体的XRT图像中发现了“黑白条纹”缺陷。通过多衍射矢量分析和系统性表征，确定了这些缺陷中的位错构型，并结合晶体生长过程中的温度场分布阐明了其形成机制。这些发现为开发低缺陷密度的4°偏轴4H-SiC晶体生长技术提供了重要的理论见解和技术指导。

实验部分

在样品制备过程中，采用PVT方法生长了直径为160毫米的4H-SiC单晶。无意中，在一个4°偏移的$000\stackrel{￣}{1}$方向的种子晶粒上生长出了氮掺杂的4H-SiC单晶。生长温度保持在2200–2400°C，氩气压力为1–10 mbar。经过多线切割、金刚石研磨、化学机械抛光和标准清洗程序后，得到了一个表面为4°偏移（0001）的基底。

黑白条纹缺陷与基面弯曲的空间对应关系

XRT能够无损且快速地表征整个4H-SiC基底中的位错分布。如图2a所示，展示了衍射矢量g = 0008时整个晶圆的XRT图像。除了作为暗点的TSD缺陷外，在$\stackrel{￣}{1}1￣20$取向的晶圆边缘区域出现了特征性的黑白条纹。图2b显示了图2a中黄色虚线框的详细图像。如蓝色方框区域所示，黑色条纹位于距晶圆边缘5–7毫米的位置。

结论

在这项研究中，利用XRT和HRXRD阐明了在传统热场条件下生长的4°偏轴4H-SiC晶体中黑白条纹缺陷的起源。空间分析建立了黑白条纹缺陷与局部基面弯曲之间的确定性关联。机制分析表明，由传统热场条件引起的非均匀热弹性应力的积累是导致局部基面弯曲的关键因素。

CRediT作者贡献声明

Jiangfeng Wang：撰写——原始草案、可视化、方法论、研究、形式分析。Xuejian Xie：撰写——审阅与编辑、监督、方法论、资金获取。Kerui Chen：研究。Laibin Zhao：可视化。Xinglong Wang：研究。Jiaxin Zhang：研究。Li Sun：撰写——审阅与编辑、方法论、资金获取。Xiufang Chen：监督、研究。Xianglong Yang：监督、研究。Xiaobo Hu：监督、研究。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金[项目编号：U23A20569]、山东省重点研发项目[项目编号：2022ZLGX02]、山东省自然科学基金（[项目编号：ZR2024QE463]）、山东省高等学校青年科技创新支持计划（2022KJ032）以及山东大学设备能力提升项目（[项目编号：ts20230210）的支持。