基于大理石废料的水稻和小麦秸秆灰复合材料的隔热性能比较研究

《Materials Science and Engineering: B》：Comparative study on the thermal insulating potential of rice and wheat straw ash based composite using marble waste

黑-白带缺陷的形成机制及其抑制策略研究，通过XRT和HRXRD分析表明局部热弹性应力积累是缺陷成因及基面弯曲的主因，优化热场工程与4°非轴生长可显著抑制缺陷。

　　

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，中国济南，250100

摘要

碳化硅（SiC）衬底中的晶体缺陷会显著降低在其上制造的器件的性能。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射线形貌（XRT）和高分辨率X射线衍射（HRXRD）来阐明通过物理气相传输（PVT）生长的4H-SiC晶体中“黑白条纹”缺陷的演变机制。首先，系统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驱动了这些缺陷和局部基面弯曲。然后，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-应力调节方法为偏轴晶体生长中抑制缺陷提供了工程策略。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导热性，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）设备在内的多项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、堆垛故障（SFs）、微孔（MPs）、螺旋位错（TSDs）和螺旋边缘位错（TEDs）的密度已大幅降低[[6], [7], [8], [9]]。随着SiC在高性能电子系统、特别是电力电子和极端环境应用中的广泛应用[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影响载流子寿命、降低击穿电压并影响长期运行可靠性，这就需要缺陷工程策略达到原子级精度[12,13]。

XRT是一种强大的缺陷检测技术，它通过绘制X射线衍射强度分布来无损地表征晶体材料的内部结构[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射线形貌（SMBXT）分析了4H-SiC晶圆中的螺旋BPDs，发现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堆垛故障（DSFs）的扩展动态，并确定了它们对氮浓度和温度的依赖性。Harada等人[18]使用SMBXT研究了溶液生长4H-SiC中TEDs向BPDs的转变机制。他们的研究表明，这一转变过程受到Burgers矢量方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初始生长阶段螺旋位错的复制动态，以及TSDs和螺旋混合位错（TMDs）向Frank型堆垛故障的偏转机制。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。这项技术对于识别具有复杂Burgers矢量配置的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，首先在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表征，确定了这些缺陷内的位错构型，并结合晶体生长过程中的温度场分布找出了其形成机制。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

在样品制备过程中，使用PVT方法生长了直径为160毫米的4H-SiC单晶。无意中，在一个4°偏轴的种子晶体上生长出了氮掺杂的4H-SiC单晶，该晶体的生长方向为[$000\stackrel{￣}{1}$]。生长温度维持在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，得到了一个具有4°偏轴（0001）表面的衬底。

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衬底上的位错分布。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，黑色条纹位于距离晶圆边缘5–7毫米的位置。

结论

在这项研究中，使用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相关性。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形成的关键因素。

CRediT作者贡献声明

Jiangfeng Wang：撰写——原始草稿、可视化、方法论、研究、正式分析。Xuejian Xie：撰写——审稿与编辑、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——审稿与编辑、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报告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。