研究の背景
炭化ケイ素 (SiC) の応用の重要性: 炭化ケイ素は、ワイドバンドギャップ半導体材料として、その優れた電気的特性 (より大きなバンドギャップ、より高い電子飽和速度、熱伝導率など) により多くの注目を集めています。これらの特性により、高周波、高温、高出力デバイスの製造、特にパワーエレクトロニクスの分野で広く使用されています。
結晶欠陥の影響: SiC にはこれらの利点があるにもかかわらず、結晶欠陥は高性能デバイスの開発を妨げる大きな問題のままです。これらの欠陥はデバイスの性能低下を引き起こし、デバイスの信頼性に影響を与える可能性があります。
X 線トポロジカルイメージング技術: 結晶成長を最適化し、デバイスの性能に対する欠陥の影響を理解するには、SiC 結晶内の欠陥構成を特徴付けて分析する必要があります。 X 線トポロジカル イメージング (特にシンクロトロン放射光ビームを使用) は、結晶の内部構造の高解像度画像を生成できる重要な特性評価技術となっています。
研究アイデア
光線追跡シミュレーション技術に基づく: この記事では、実際の X 線トポロジ画像で観察される欠陥コントラストをシミュレートするために、配向コントラスト メカニズムに基づく光線追跡シミュレーション技術の使用を提案しています。この方法は、さまざまな半導体の結晶欠陥の特性を研究するのに効果的な方法であることが証明されています。
シミュレーション技術の改善: 4H-SiC および 6H-SiC 結晶で観察されるさまざまな転位をより適切にシミュレーションするために、研究者らは光線追跡シミュレーション技術を改善し、表面緩和と光電吸収の効果を組み込みました。
研究内容
転位タイプの分析: この論文では、光線追跡を使用して、SiC のさまざまなポリタイプ (4H および 6H を含む) におけるさまざまなタイプの転位 (らせん転位、刃状転位、混合転位、基底面転位、フランク型転位など) の特性評価を系統的にレビューしています。シミュレーション技術。
シミュレーション技術の応用：弱ビームトポロジーや平面波トポロジーなどの異なるビーム条件下での光線追跡シミュレーション技術の応用と、シミュレーション技術による有効転位侵入深さの決定方法を検討します。
実験とシミュレーションの組み合わせ：実験で得られたX線トポロジカル画像とシミュレーション画像を比較することで、転位の種類、バーガースベクトル、結晶内の転位の空間分布を決定するシミュレーション技術の精度が検証されます。
研究の結論
シミュレーション技術の有効性：この研究は、レイトレーシングシミュレーション技術が、SiC内のさまざまなタイプの転位の特性を明らかにするためのシンプルで非破壊的かつ明確な方法であり、転位の有効侵入深さを効果的に推定できることを示しています。
3次元転位形状解析：シミュレーション技術により、結晶成長中の転位の挙動や進化を理解するために重要な3次元転位形状解析と密度測定を行うことができます。
将来のアプリケーション: レイ トレーシング シミュレーション テクノロジーは、実験室ベースの X 線トポロジーだけでなく、高エネルギー トポロジーにもさらに適用されることが期待されています。さらに、この技術は、他のポリタイプ (15R-SiC など) または他の半導体材料の欠陥特性のシミュレーションにも拡張できます。
図の概要
図 1: 透過 (ラウエ) ジオメトリ、逆反射 (ブラッグ) ジオメトリ、かすめ入射ジオメトリを含む、放射光 X 線トポロジカル イメージング セットアップの概略図。これらの形状は主に X 線トポロジカル画像を記録するために使用されます。
図 2: らせん転位周囲の歪んだ領域の X 線回折の模式図。この図は、入射ビーム (s0) と回折ビーム (sg) の関係を、局所回折面法線 (n) と局所ブラッグ角 (θB) とともに説明しています。
図 3: 6H-SiC ウェーハ上のマイクロパイプ (MP) の後方反射 X 線トポグラフィー画像と、同じ回折条件下での模擬螺旋転位 (b = 6c) のコントラスト。
図 4: 6H-SiC ウェーハの背面反射トポグラフィー画像内のマイクロパイプ ペア。異なる間隔の同じ MP と反対方向の MP の画像が、レイ トレーシング シミュレーションによって表示されます。
図 5: 4H-SiC ウェーハ上の閉芯らせん転位 (TSD) の斜入射 X 線トポグラフィー画像を示します。画像ではエッジのコントラストが強調されています。
図 6: 4H-SiC ウェーハ上の左巻きおよび右巻きの 1c TSD の斜入射 X 線トポグラフィー画像のレイ トレーシング シミュレーションを示します。
図 7: 4H-SiC および 6H-SiC の TSD のレイトレーシング シミュレーションが示されており、異なるバーガース ベクトルとポリタイプの転位が示されています。
図 8: 4H-SiC ウェーハ上のさまざまなタイプの貫通刃状転位 (TED) の斜入射 X 線トポロジカル画像と、光線追跡法を使用してシミュレートされた TED トポロジカル画像を示します。
図 9: 4H-SiC ウェーハ上のさまざまな TED タイプの X 線後方反射トポロジカル画像と、シミュレートされた TED コントラストを示します。
図 10: 特定のバーガース ベクトルを使用した混合貫通転位 (TMD) の光線追跡シミュレーション画像と実験的なトポロジカル画像を示します。
図 11: 4H-SiC ウェーハ上の基底面転位 (BPD) の後方反射トポロジカル画像と、シミュレートされた刃状転位コントラスト形成の概略図を示します。
図 12: 表面緩和と光電吸収効果を考慮した、異なる深さでの右巻きヘリカル BPD の光線追跡シミュレーション画像を示します。
図 13: 異なる深さでの右巻きヘリカル BPD の光線追跡シミュレーション画像と斜入射 X 線トポロジカル画像を示します。
図 14: 4H-SiC ウェーハ上の任意の方向の基底面転位の模式図と、突起長を測定して侵入深さを決定する方法を示します。
図 15: 斜入射 X 線トポロジカル画像における異なるバーガース ベクトルと線方向を持つ BPD のコントラスト、および対応する光線追跡シミュレーションの結果。
図 16: 4H-SiC ウェーハ上の右偏向 TSD の光線追跡シミュレーション画像と斜入射 X 線トポロジカル画像を示します。
図 17: 8° オフセット 4H-SiC ウェーハ上の偏向 TSD の光線追跡シミュレーションと実験画像が示されています。
図 18: バーガース ベクトルは異なるが、線方向は同じである、偏向された TSD と TMD のレイ トレーシング シミュレーション イメージが示されています。
図 19: フランク型転位の光線追跡シミュレーション画像と、対応する斜入射 X 線トポロジカル画像を示します。
図 20: 6H-SiC ウェーハ上のマイクロパイプの透過白色ビーム X 線トポロジー画像と光線追跡シミュレーション画像を示します。
図 21: 軸方向に切断した 6H-SiC サンプルの斜入射単色 X 線トポロジカル画像と BPD の光線追跡シミュレーション画像を示します。
図 22: 異なる入射角で軸方向に切断された 6H-SiC サンプルの BPD の光線追跡シミュレーション画像を示しています。
図 23: 斜入射幾何学の下で軸方向に切断された 6H-SiC サンプルの TED、TSD、および TMD の光線追跡シミュレーション画像を示しています。
図 24: 4H-SiC ウェーハ上の等斜線の異なる側にある偏向 TSD の X 線トポロジー画像と、対応する光線追跡シミュレーション画像を示します。
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投稿日時: 2024 年 6 月 18 日