4H-SiC結晶中には様々な種類の積層欠陥が報告されています。それらの一部を本文章で整理したいと思います。 “その１”ではショックレー型積層欠陥が1枚導入された場合について述べます。一見同じように見える１枚のショックレー型積層欠陥でも、幾つかに分類されることがわかります。
4H-SiCの基底面上ではショックレー型積層欠陥は、p-i-n構造のi層中で順方向特性劣化現象により拡大成長したりしますが、その際の積層欠陥の形状によっては、同じバーガースベクトルを持つ基底面転位より生成したショックレー型積層欠陥でも、異なるタイプに分類することが可能です。４H-SiCのショックレー型積層欠陥は特徴的な構造をもっているのでその特徴についてまとめます。
このことを整理しておくことは、順方向特性劣化現象が観察されたときに、おおもとの基底面転位がどの位置にあったのかを調べるときに有効です。どの位置におおもとの基底面転位があったのかが明確になれば、対策なども考えられる場合があります。
４H-SiCのショックレー型積層欠陥にはtype I とtype IIが存在する。
下の図1は4H-SiCの1ユニットセルの構造を[1120]方向から眺めた図です。グレーの三角形は４面体構造を表し四面体の中心にSi原子、四隅にC原子が配置されています。１ユニットセル中にはABA’C’と記号がふられた4つの四面体が積み重なっています。AとBは同じ方向を向いていますがA’C’の四面体はAやB四面体の左右を反転させたように配置されていています。A’C’の2つの四面体は同じ方向を向いています。ショックレー型積層欠陥は図中の4つの破線の位置に導入されます。この破線は四面体の中心のSi原子と四面体底面のC原子の間に描かれています。SiCは対称の中心を持たない結晶で、[0001]と[0001]は同等な方向ではありません。図1は4H-SiCの４つの四面体の積み重なりを示しています。四面体は２個ずつ同じ方向を向いて積み重なっていますが、Iwataらによると下側の四面体に導入されるショックレー型積層欠陥と上側の四面体に導入される積層欠陥とは導入されたときの積層欠陥エネルギーに違いがあると言っています。それぞれの積層欠陥をType I とType II と名付けています。積層欠陥エネルギーに違いがあるということは自然に形成されるショックレー型積層欠陥の大きさに違いが存在しているということになります。さらなる詳しい記述は下記の文献をご覧ください。
- H. Iwata et al., Phys. Rev. B Vol. 65 033203 (2001).
- Ulf Lindefelt et al., Phys Rev. B Vol. 67 155204 (2003)
４H-SiCのショックレー型積層欠陥にはtype A とtype Bが存在する。
4H-SiCの基底面転位はショックレー型積層欠陥に分解拡張すると積層欠陥の縁にある部分転位の配置の仕方に２種類の異なる構造のものが存在します。図2はb=1/3[1120]のバーガースベクトルを持つ基底面転位ループの２種類の構造を示しています。この図は[0001]方向から見た図です。
図中のグレーの部分はショックレー型積層欠陥、積層欠陥の縁の黒実線で示されている部分はCコア部分転位、黒破線で示している部分はSiコア部分転位です。６角形の転位ループのうち12時の位置はSiコア刃状基底面転位、６時の位置はCコア刃状基底面転位、３時の位置と９時の位置は基底面らせん転位の位置です。どちらの転位ループもb=1/3[1120]のバーガースベクトルを持つ基底面転位ループですが、Type Aとなずけたループは拡張した場合、b=1/3[1010]が内側に、b=1/3[0110]が外側に位置していますが、Type Bでは逆になっています。Type Aでは転位ループの３時と９時の場所で破線のSiコア部分転位が積層欠陥の左側、実線のCコア部分転位が積層欠陥の右側に位置しています。Type Bではこの位置関係が逆転しています。Type Aの積層欠陥は図1のA’、C’の四面体の積層欠陥で現れ、Type Bの積層欠陥は図1のA、Bの四面体の積層欠陥で現れます。AとBの四面体は同じ方向を向いていて、A’、C’の四面体は逆方向を向いています。この四面体の向きの違いが、Type A, Type Bの転位ループの違いを作っています。図2では同じバーガースベクトルを持ちながら異なる縁構造を持つ転位ループが２種類存在していることを示しています。基底面転位は６方向の異なる向きのバーガースベクトルが存在していますから、合計12種類の異なる縁構造を持つ転位ループが存在しています。12種類の異なる転位ループが存在することを認識するとp-i-n構造を持つ電力デバイスの順方向特性劣化の際に現れる積層欠陥の形が容易に解析されるようになります。
詳細は下記の文献を御覧下さい。
- H. Matsuhata et al., Philos. Mag. 94 1674-1685 (2014).
- A. Tanaka et al., J. Appl. Phys. 119 095711 (2016).
- H. Matsuhata & T. Sekiguchi Philos. Mag. 98 878-898 (2018).
- 松畑、関口 日本結晶学会誌 Vol. 62 150-157 (2020).
