4H-SiC中不同位错对载流子浓度影响的拉曼光谱研究

doi:10.16553/j.cnki.issn1000-985x.2025.0219

摘要/Abstract

摘要： 在镍坩埚中于520 ℃下用熔融KOH对物理气相传输（PVT）法生长的n型4H-SiC晶体样品进行腐蚀处理，利用光学显微镜（OM）、原子力显微镜（AFM）和扫描电子显微镜（SEM）对晶片中的刃位错（TED）、螺位错（TSD）和混合型位错（TMD）进行区分与识别。采用显微拉曼光谱仪对不同位错缺陷进行光谱表征，并将缺陷区域的拉曼光谱与无缺陷区域进行对比，重点关注由载流子浓度升高引起的纵向光声子-等离子体耦合（LOPC）模式（位于984.609 cm^-1处）。通过Matlab对拉曼光谱进行拟合，并依据理论公式计算得出不同区域的载流子浓度（n）。对比缺陷中心与无缺陷区域的n值，发现缺陷中心表现出明显的载流子陷阱效应。进一步计算各缺陷中心拉曼光谱的半峰全宽（FWHM），并将其与载流子浓度n进行联合分析，以评估载流子陷阱效应的相对强弱。研究表明，不同缺陷中心的载流子陷阱效应强弱顺序为：TSD、TMD、TED，并提出对晶体生长工艺和器件工艺的优化建议。

关键词: SiC晶体; 载流子浓度; 缺陷; 位错; 拉曼光谱; 载流子陷阱效应

Abstract: The n-type 4H-SiC crystal samples prepared by the physical vapor transport （PVT） method in this study were subjected to etching treatment using molten KOH in a nickel crucible at 520 ℃. Dislocations in the wafer， including threading edge dislocation （TED）， threading screw dislocation （TSD）， and threading mixed dislocation （TMD）， were distinguished and identified using optical microscopy （OM）， atomic force microscopy （AFM）， and scanning electron microscopy （SEM）. Micro-Raman spectroscopy was employed to characterize the spectral features of these different dislocation defects. The Raman spectra from the defect regions were compared with those from defect-free regions， with particular focus on the longitudinal optical phonon plasmon coupling （LOPC） mode near 984.609 cm^-1， which is influenced by increased carrier concentration. The Raman spectra were fitted using Matlab， and the carrier concentration （n） in different regions was calculated based on theoretical formulas. Comparing the n values at the defect cores with those in defect-free areas revealed a significant carrier trapping effect at the defect cores. The full width at half maximum （FWHM） of the Raman spectra at each defect core was further calculated. By jointly analyzing the FWHM and the carrier concentration n， the relative strength of the carrier trapping effect for different dislocation types was assessed， yielding the following order： TSD， TMD， TED. Some optimization suggestions are proposed for the crystal growth process and device fabrication process.

Key words: SiC crystal; carrier concentration; detect; dislocation; Raman spectra; carrier trapping effect

中图分类号:

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图/表 9

图1 腐蚀坑的OM图像

Fig.1 OM images of corrosion pits

图2 腐蚀坑的SEM照片

Fig.2 SEM images of corrosion pits

图3 腐蚀坑的AFM照片及截面曲线

Fig.3 AFM images and cross-sectional curves of corrosion pits

图4 无缺陷区域拉曼光谱

Fig.4 Raman spectrum of defect-free region

表1 样品峰位与标准峰位对比

Table 1 Comparison of sample peak positions with standard peak positions

Peak position	FTA	FLA	FTO， E₂	FTO， E₁	FLO
Sample peak position/cm^-1	203.23	609.608	776.215	797.404	984.609
Standard peak position/cm^-1	203	610	776	796	964

图5 缺陷中心与周围无缺陷区域拉曼光谱

Fig.5 Raman spectra of center and surrounding defect-free region

图6 TED、TSD、TMD缺陷中心拉曼光谱对比

Fig.6 Raman spectra compared for TED， TSD and TMD defect centers

表2 4H-SiC材料常数数值［29］

Table 2 Material constant values of 4H-SiC［29］

Material constant	Value
LO phonon，ω_L/cm^-1	964.2
TO phonon， ω_T/cm^-1	777.0
Faust-Henry constant， C	0.43
Optical dielectric constant， ε_∞	6.78
Carrier effective mass， m^*	0.48m₀（m₀=9.11×10^-31 kg）

表3 TED、TSD、TMD缺陷中心载流子浓度和半峰全宽

Table 3 Carrier concentration and FWHM at defect centers of TED， TSD and TMD

Parameter	TED-C	TSD-C	TMD-C	Hall
n/cm^-3	6.54×10¹⁷	3.43×10¹⁸	7.21×10¹⁷	4.83×10¹⁸
FWHM/cm^-1	3.92	6.25	5.65

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