4H-SiC中$\{ {1\bar 102} \}$平面上堆垛错位的原子与电子结构

《Journal of the American Ceramic Society》：Atomic and electronic structure of stacking faults on the { 1 ? 1 ˉ ? 02 } $\{ {1\bar 102} \}$ plane in 4H-SiC

4H-SiC外延层中的“胡萝卜”缺陷包含基面和平行面的堆垛层错，通过TEM和第一性原理计算揭示了平行面层错的原子结构（矢量<11-20>）及电子缺陷态（位于带隙中，源于SiC?三角平面配位）。

　　4H-碳化硅（4H-SiC）是一种在高功率半导体器件中具有广泛应用前景的材料，因其宽禁带特性以及高击穿电场强度而备受关注。在4H-SiC的外延生长过程中，常常会形成多种扩展缺陷，其中一种被称为“胡萝卜缺陷”（carrot defect）的结构尤为典型。这种缺陷通常由三个部分位错和两个堆垛层错组成，分别位于基面（basal plane）和棱柱面（prismatic plane）上。然而，尽管已有大量研究关注于胡萝卜缺陷的基面部分，关于其棱柱面部分错的原子和电子结构却尚未完全揭示。为了深入理解这些缺陷对半导体性能的影响，本研究结合透射电子显微镜（TEM）和第一性原理计算，对胡萝卜缺陷中棱柱面部分错的结构进行了系统分析。

### 棱柱面部分错的结构特征

通过TEM观测，研究人员发现棱柱面部分错呈现出一种锯齿状（zigzag）排列模式，表明其并非严格地形成在棱柱平面上，而是在一定程度上偏离了这一平面。这一锯齿状结构暗示了部分错的复杂性，可能由多个堆垛层错组成，或者与特定的原子配置有关。进一步的高分辨率TEM研究显示，这些堆垛层错在特定晶面上的投影呈现出一定的规律性，但其整体结构仍需更深入的理论分析来加以确认。

基于实验结果进行的理论计算揭示了棱柱面部分错的位错矢量。具体而言，该部分错的位错矢量为一个具有特定方向的矢量，其在晶面内的分量决定了堆垛层错的性质。研究还发现，这种堆垛层错在4H-SiC中生成了一些缺陷能级，这些能级位于材料的禁带内部。这些能级的形成与堆垛层错中出现的三角形平面原子构型密切相关，这些原子构型由特定的堆垛方式导致，从而影响了材料的电子行为。

### 堆垛层错的类型与形成能

为了进一步明确棱柱面部分错的结构，研究人员构建了两种不同类型的堆垛层错模型，分别称为SF?和SF?.?。这两种模型分别对应不同的位错矢量，其中SF?的位错矢量为某一方向，而SF?.?的位错矢量则为另一方向。通过对这两种模型的优化和能量计算，研究人员得出它们的形成能分别为3.3 J/m2和2.4 J/m2。其中，SF?.?的形成能较低，表明其在实际材料中更容易形成。

此外，研究人员还分析了堆垛层错的宽度。通常情况下，堆垛层错的宽度由其形成能和位错之间的弹性相互作用共同决定。然而，对于棱柱面部分错而言，其宽度明显大于由位错解离反应形成的堆垛层错。这表明，棱柱面部分错可能并非由位错解离直接产生，而是在外延生长的早期阶段就形成，并随着材料的生长而扩展。这一发现对于理解胡萝卜缺陷的起源具有重要意义。

### 堆垛层错对半导体性能的影响

堆垛层错对4H-SiC的性能影响主要体现在其对能带结构的改变上。通过第一性原理计算，研究人员对4H-SiC的本征结构和SF?.?堆垛层错的态密度进行了分析。结果显示，4H-SiC的本征禁带宽度约为3.3 eV，与实验值3.26 eV相符。然而，SF?.?堆垛层错在禁带内部引入了一些额外的能级，这些能级位于?0.6到1.1 eV的范围内，且与某些缺陷态相关。这些额外的能级可能会破坏材料的宽禁带特性，从而影响其在高功率器件中的应用。

进一步的电荷密度分析显示，这些缺陷态来源于堆垛层错中某些原子的悬挂键（dangling bonds）。具体而言，SF?.?堆垛层错中的某些硅和碳原子形成了类似三角形平面的SiC?或CSi?结构，这种结构在能量范围内表现出显著的电子密度分布。这些悬挂键的形成与sp2杂化有关，导致电子在堆垛层错区域发生偏移，从而产生额外的电子态。相比之下，4H-SiC中的其他堆垛层错，如基面堆垛层错，通常由SiC?四面体结构的排列变化引起，但并不产生类似的悬挂键。

### 堆垛层错的电子结构与半导体行为

堆垛层错的电子结构对半导体性能的影响是多方面的。一方面，堆垛层错可能引入额外的缺陷态，从而改变材料的载流子行为；另一方面，这些缺陷态可能会成为非辐射复合中心，影响器件的电学性能和寿命。在本研究中，通过态密度分析，研究人员发现SF?.?堆垛层错在禁带中引入了四个明显的缺陷态峰，这些峰与堆垛层错中的SiC?或CSi?结构有关。这些缺陷态的存在意味着，即使在材料的本征结构中，堆垛层错也能够显著影响其电子特性。

此外，研究人员还通过电荷密度的可视化分析，进一步确认了这些缺陷态的来源。在SF?.?堆垛层错中，某些原子的电荷分布呈现出明显的非均匀性，尤其是在堆垛层错区域。这种非均匀性与悬挂键的形成密切相关，而悬挂键的出现则是由于堆垛层错导致的原子排列异常。这些悬挂键的电子态可能在材料中形成局部能级，从而影响其导电性和载流子迁移率。

### 未来研究方向与应用意义

尽管本研究对4H-SiC中胡萝卜缺陷的棱柱面部分错进行了详细的结构和电子特性分析，但仍有一些问题需要进一步探讨。例如，堆垛层错的具体形成机制、其在不同生长条件下的行为差异，以及如何通过材料工程手段减少这些缺陷对性能的影响，都是未来研究的重要方向。此外，对于其他类型的堆垛层错，如与SiC?四面体结构相关的堆垛层错，其对半导体性能的影响也需要进一步研究。

从应用角度来看，4H-SiC的宽禁带特性使其成为高功率和高频器件的理想材料。然而，扩展缺陷的存在可能会限制其在实际应用中的性能表现。因此，对这些缺陷的深入理解不仅有助于提高材料的质量，还能够为优化器件设计提供理论支持。通过控制堆垛层错的形成和分布，可以有效减少其对能带结构的干扰，从而提升半导体器件的效率和稳定性。

综上所述，本研究通过结合实验和理论方法，揭示了4H-SiC中胡萝卜缺陷的棱柱面部分错的结构特征及其对半导体性能的影响。研究结果表明，这种堆垛层错不仅在原子结构上具有一定的复杂性，而且在电子行为上也表现出显著的特征。这些发现为今后进一步研究4H-SiC的缺陷行为以及提升其在功率半导体器件中的应用性能提供了重要的理论依据和实验指导。