ניתוח של מבנה נקע בגביש SiC על ידי הדמיית מעקב אחר קרניים בסיוע הדמיה טופולוגית בקרני רנטגן

רקע מחקרי

חשיבות היישום של סיליקון קרביד (SiC): כחומר מוליך למחצה רחב של פסים, סיליקון קרביד משך תשומת לב רבה בשל תכונותיו החשמליות המצוינות (כגון מרווח פס גדול יותר, מהירות רוויה גבוהה יותר של אלקטרונים ומוליכות תרמית). מאפיינים אלו הופכים אותו לשימוש נרחב בייצור התקנים בתדר גבוה, בטמפרטורה גבוהה ובעוצמה גבוהה, במיוחד בתחום האלקטרוניקה.

השפעת פגמי גבישים: למרות היתרונות הללו של SiC, פגמים בקריסטלים נותרו בעיה מרכזית המעכבת את הפיתוח של מכשירים בעלי ביצועים גבוהים. פגמים אלו עלולים לגרום לפגיעה בביצועי המכשיר ולהשפיע על אמינות המכשיר.
טכנולוגיית הדמיה טופולוגית בקרני רנטגן: על מנת לייעל את צמיחת הגבישים ולהבין את ההשפעה של פגמים על ביצועי המכשיר, יש צורך לאפיין ולנתח את תצורת הפגם בגבישי SiC. הדמיה טופולוגית בקרני רנטגן (במיוחד באמצעות קרני קרינה סינכרוטרוניים) הפכה לטכניקת אפיון חשובה שיכולה לייצר תמונות ברזולוציה גבוהה של המבנה הפנימי של הגביש.
רעיונות מחקר
בהתבסס על טכנולוגיית סימולציית מעקב קרניים: המאמר מציע שימוש בטכנולוגיית סימולציית מעקב קרניים המבוססת על מנגנון ניגודיות האוריינטציה כדי לדמות את ניגודיות הפגם שנצפה בתמונות טופולוגיות של קרני רנטגן בפועל. שיטה זו הוכחה כדרך יעילה לחקור את המאפיינים של פגמי גביש במוליכים למחצה שונים.
שיפור טכנולוגיית הסימולציה: על מנת לדמות טוב יותר את הנקעים השונים שנצפו בגבישי 4H-SiC ו-6H-SiC, החוקרים שיפרו את טכנולוגיית סימולציית מעקב הקרניים ושילבו את ההשפעות של הרפיית פני השטח והבליעה הפוטואלקטרית.
תוכן מחקר
ניתוח סוג נקע: המאמר סוקר באופן שיטתי את האפיון של סוגים שונים של נקעים (כגון נקעים של בורג, נקעים בקצוות, נקעים מעורבים, נקעים במישור הבסיסי ונקעים מסוג פרנק) בפוליטיפים שונים של SiC (כולל 4H ו-6H) באמצעות מעקב אחר קרניים טכנולוגיית סימולציה.
יישום טכנולוגיית סימולציה: היישום של טכנולוגיית סימולציית מעקב קרניים בתנאי אלומה שונים כגון טופולוגיה של אלומה חלשה וטופולוגיה של גל מישור, כמו גם כיצד לקבוע את עומק החדירה האפקטיבי של נקעים באמצעות טכנולוגיית סימולציה.
שילוב של ניסויים וסימולציות: על ידי השוואה בין התמונות הטופולוגיות של קרני רנטגן שהתקבלו בניסוי עם התמונות המדומות, מאומתת הדיוק של טכנולוגיית הסימולציה בקביעת סוג הנקע, וקטור Burgers והחלוקה המרחבית של נקעים בגביש.
מסקנות מחקר
האפקטיביות של טכנולוגיית סימולציה: המחקר מראה שטכנולוגיית סימולציית מעקב קרניים היא שיטה פשוטה, לא הרסנית וחד משמעית לחשוף את המאפיינים של סוגים שונים של נקעים ב-SiC ויכולה להעריך ביעילות את עומק החדירה האפקטיבי של נקעים.
ניתוח תצורת נקע בתלת מימד: באמצעות טכנולוגיית סימולציה, ניתן לבצע ניתוח תצורת נקע תלת מימדי ומדידות צפיפות, שהינה חיונית להבנת ההתנהגות וההתפתחות של נקעים במהלך צמיחת הגביש.
יישומים עתידיים: טכנולוגיית סימולציית מעקב קרני צפויה להיות מיושמת עוד יותר בטופולוגיה עתירת אנרגיה, כמו גם בטופולוגיית קרני רנטגן מבוססת מעבדה. בנוסף, ניתן להרחיב טכנולוגיה זו גם לסימולציה של מאפייני פגמים של פוליטיפים אחרים (כגון 15R-SiC) או חומרים מוליכים למחצה אחרים.
סקירת איור

איור 1: תרשים סכמטי של מערך הדמיה טופולוגי בקרני רנטגן של קרינת סינכרוטרון, כולל גיאומטריית שידור (Laue), גיאומטריה של השתקפות הפוכה (Bragg) וגיאומטריית שכיחות רעייה. גיאומטריות אלו משמשות בעיקר לתיעוד תמונות טופולוגיות של קרני רנטגן.

איור 2: תרשים סכמטי של עקיפה בקרני רנטגן של האזור המעוות סביב נקע הבורג. איור זה מסביר את הקשר בין האלומה התקרית (s0) לבין האלומה המפוזרת (sg) עם מישור העקיפה המקומי נורמלי (n) וזווית Bragg המקומית (θB).

איור 3: תמונות טופוגרפיה של קרני רנטגן השתקפות אחורית של micropipes (MPs) על רקיק 6H–SiC והניגודיות של נקע מדומה של בורג (b = 6c) באותם תנאי עקיפה.

איור 4: זוגות מיקרופייפ בתמונת טופוגרפיה של השתקפות אחורית של רקיק 6H–SiC. תמונות של אותם חברי פרלמנט עם מרווחים שונים ושל חברי פרלמנט בכיוונים מנוגדים מוצגות על ידי סימולציות של מעקב אחר קרניים.

איור 5: מוצגות תמונות טופוגרפיה של קרני רנטגן של שכיחות רעיה של נקעים של בורג סגור (TSDs) על פרוסת 4H–SiC. התמונות מציגות ניגודיות קצה משופרת.

איור 6: סימולציות של מעקב אחר קרני של שכיחות רעייה מוצגות תמונות טופוגרפיה של קרני רנטגן של 1c TSDs ביד שמאל וימין על פרוסת 4H–SiC.

איור 7: מוצגות סימולציות של מעקב אחר קרני של TSDs ב-4H–SiC ו-6H–SiC, המציגות נקעים עם וקטורים ופוליטיפים שונים של Burgers.

איור 8: מראה את שכיחות הרעייה טופולוגית של קרני רנטגן של סוגים שונים של נקעים של קצה השחלה (TEDs) על פרוסות 4H-SiC, ואת התמונות הטופולוגיות של TED המדומות בשיטת מעקב הקרניים.

איור 9: מציג את התמונות הטופולוגיות של רנטגן השתקפות אחורית של סוגי TED שונים על פרוסות 4H-SiC, ואת הניגודיות המדומה של TED.

איור 10: מציג תמונות סימולציה של מעקב אחר קרניים של נקעים של פתילים מעורבים (TMDs) עם וקטורים ספציפיים של Burgers, ואת התמונות הטופולוגיות הניסיוניות.

איור 11: מציג את התמונות הטופולוגיות של השתקפות אחורית של נקעים במישור הבסיסי (BPDs) על פרוסות 4H-SiC, ואת הדיאגרמה הסכמטית של היווצרות ניגודיות נקע בקצה המדומה.

איור 12: מציג תמונות סימולציה של מעקב אחר קרניים של BPDs סליליים ימניים בעומקים שונים בהתחשב בהרפיית פני השטח והשפעות הקליטה הפוטואלקטרית.

איור 13: מציג את תמונות סימולציית מעקב הקרניים של BPDs סליליים ימניים בעומקים שונים, ואת התמונות הטופולוגיות של קרני רנטגן שכיחות המרעה.

איור 14: מציג את הדיאגרמה הסכמטית של נקעים במישור הבסיסי בכל כיוון על פרוסות 4H-SiC, וכיצד לקבוע את עומק החדירה על ידי מדידת אורך ההקרנה.

איור 15: הניגודיות של BPDs עם וקטורים שונים של Burgers וכיווני קווים בתמונות הטופולוגיות של קרני רנטגן מרעייה, ותוצאות הדמיית מעקב קרניים התואמות.

איור 16: מוצגים תמונת סימולציית מעקב הקרניים של ה-TSD המוטה ביד ימין על פרוסת 4H-SiC, ותמונה טופולוגית של קרני רנטגן שכיחות מרעה.

איור 17: סימולציית מעקב קרניים ותמונה ניסיונית של ה-TSD המוטה על פרוסת 4H-SiC עם אופסט של 8° מוצגים.

איור 18: מוצגות תמונות סימולציית מעקב אחר הקרניים של ה-TSD וה-TMDs המודחים עם וקטורים שונים של Burgers אך באותו כיוון קו.

איור 19: מוצגת תמונת סימולציית מעקב קרני של נקעים מסוג פרנק, והתמונה הטופולוגית הטופולוגית של קרני רנטגן.

איור 20: מוצגת התמונה הטופולוגית של קרני רנטגן של אלומה לבנה המשודרת של המיקרו-צינור על פרוסת 6H-SiC, ותמונת הדמיית מעקב אחר קרניים.

איור 21: תמונה טופולוגית מונוכרומטית של קרני רנטגן מונוכרומטיות של המדגם החתוך צירית של 6H-SiC, ותמונת הדמיית מעקב קרניים של ה-BPDs מוצגים.

איור 22: מציג תמונות סימולציה של מעקב אחר קרניים של BPD בדגימות חתוכות צירית 6H-SiC בזוויות אירוע שונות.

איור 23: מציג תמונות סימולציה של מעקב אחר קרניים של TED, TSD ו-TMD בדגימות חתוכות צירית 6H-SiC תחת גיאומטריית שכיחות רעייה.

איור 24: מציג את התמונות הטופולוגיות של קרני רנטגן של TSDs מוסטים בצדדים שונים של הקו האיזוקליני על פרוסת 4H-SiC, ואת תמונות הדמיית מעקב קרניים המתאימות.

מאמר זה מיועד לשיתוף אקדמי בלבד. אם יש הפרה כלשהי, אנא צור איתנו קשר כדי למחוק אותה.