碳化硅（SiC）作为一种重要的宽禁带半导体材料，广泛应用于功率电子、光电设备以及新能源汽车等领域。然而，在SiC衬底的制造和外延生长过程中，晶体缺陷的产生常常不可避免。这些缺陷不仅会影响SiC材料的器件性能，还可能导致良率下降或器件的过早失效。因此，精确地评估和分类SiC中的缺陷，对于提升电力电子产品的质量和可靠性具有重要意义。
传统上，光致发光（PL）扫描仪一直是SiC衬底检测的常用工具。PL通过扫描晶圆表面，生成包含缺陷形态信息的晶圆图像。然而，这种方法有其局限性。例如，PL无法精确识别堆叠故障或螺纹位错亚类等细小缺陷，也无法对位错类型进行深入分类。为了克服这些问题，阴极发光（CL）技术应运而生，并为SiC缺陷的分类提供了更高的分辨率和更丰富的光谱信息。
SiC缺陷分类：从传统PL到CL高光谱成像
SiC衬底和外延层中的缺陷种类繁多，其中包括常见的堆垛层错（SF）、螺纹位错（TSD）、基面位错（BPD）等。这些缺陷类型对SiC器件的性能和可靠性产生不同影响，因此必须进行精细的分类和分析。
光致发光（PL）虽然能够识别一些常见缺陷，如位错带或缺陷密度，但它的空间分辨率较低，且难以对不同类型的缺陷进行细致区分。PL扫描通常只能提供缺陷的形状和亮度信息，缺陷种类的具体性质无法完全揭示。
而阴极发光（CL）由于其具有较高的能量激发、卓越的空间分辨率及光谱分辨率，成为了理想的缺陷分类与定量分析方法。CL技术能够通过成像大视场（FOV）并获得详细的光谱数据，精确识别和分类SiC外延膜中的各种缺陷，甚至可以细化到特定的亚类。
CL高光谱图：揭示SiC缺陷的关键
图1展示了SiC外延膜的CL高光谱图，通过不同的波长范围显示了SiC晶体中不同类型缺陷的发射特征：
- 蓝色（370-410 nm）
对应于螺纹位错（TSD）和刃型位错（TED）的发射带。这些位错类型通常表现为暗点，且具有明显的带边发射特征。 - 绿色（410-450 nm）
对应于堆垛层错（SF）的发射带。层错作为量子阱的角色，有助于复合过程的发生，从而产生强烈的发射光谱。 - 红色（500-700 nm）
对应于基面位错（BPD）的发射带，突显了施主-受主对（DAP）的形成和其对晶体质量的影响。
图1：SiC外延膜的CL高光谱图
通过CL高光谱成像，研究人员不仅能够识别常见的缺陷类型，还可以根据发射特性进一步细化不同缺陷的分类。例如，在4H-SiC晶体中，存在几种不同类型的堆垛层错（SF），每种类型的发射波长不同。某些单个Shockley层错（sff）具有独特的发射波长（约425 nm），而多个Shockley层错则表现为约480 nm的发射带，这种差异使得CL成为研究SF对SiC器件性能影响的有力工具。
细分缺陷类型：螺纹位错的高光谱分析
螺纹位错（TSD）在SiC晶体中非常常见，且对器件性能具有重要影响。利用CL技术，研究人员可以根据其光谱特征对不同类型的螺纹位错进行分类。例如，边位错和混合型位错通常会在位错中心形成偶极子样的峰移，而螺旋型位错则没有这种现象。通过对这些特征进行高光谱分析，可以清晰地区分不同类型的螺纹位错，进一步揭示其对SiC器件的潜在影响。
图2：两种螺纹位错的带边（BE）峰值幅度（上）和峰值位置（下）表现出偶极子样的峰移，表明位错是边型或混合型
图2展示了两种不同螺纹位错的带边（BE）峰值幅度和峰值位置，显示了明显的偶极子样峰移特征。这种精细的分类能力，使得CL技术能够对SiC缺陷进行深入分析，而传统PL方法则无法达到这一水平。
CL技术的优势：精细分类与工业应用
CL高光谱成像的一个显著优势是其高空间分辨率和快速、高效的缺陷分类能力。通过Attolight的CL平台，SiC晶圆上的多个缺陷位置可以迅速定位，并进行详细的分析。这一过程不仅提供了更为准确的缺陷分类数据，还为SiC外延生长过程中缺陷的控制与优化提供了科学依据。
此外，CL成像技术能够与PL扫描互补，快速反馈初步的缺陷图像，然后集中关注感兴趣的缺陷区域进行详细检查。由于其大视场和优越的光学对准系统，CL成为了SiC工艺控制和产品开发中的重要工具。
