半导体碳化硅已经成为了新能源、智能电网、轨道交通和信息通讯等国民经济和社会发展的基础材料，是我国"十四五"期间重点攻关的半导体材料，但是碳化硅在单晶生长、晶圆加工和薄膜外延等过程中都有可能产生缺陷，这对材料的性能产生了重大影响，也一直让产业界十分头疼，如何消除或利用缺陷成了半导体材料研究的核心问题！
面对产业难题，浙江大学杭州国际科创中心（简称科创中心）先进半导体研究院半导体材料研究室自成立之日起就开始了探索，经过2年研究，终于找到了进一步破解难题的钥匙。相关研究成果已先后发表于Physical Review Applied 17, 054011 (2022)；Applied Physics Letters 120, 052105 (2022)；Journal of Applied Physics, 131, 185703 (2022)；Chinese Physics B 31, 056108 (2022)；Chinese Physics B 31, 046104 (2022)和ACS Applied Electronic Materials 4, 1678 (2022)等，为科创中心在半导体碳化硅领域形成自主知识产权奠定了良好的基础。截至目前，科创中心已经拥有授权的有关半导体碳化硅的专利24项。
精准定位 给碳化硅"看病"
研究人员表示，他们的系列研究都与碳化硅中缺陷的精准定位和改良钝化息息相关，形象地说就是在给碳化硅"看病"。目前，研究团队主要聚集碳化硅中的两种微观缺陷：一种是线缺陷，一种是点缺陷。
线缺陷的集中表现形式是材料内部原子错排形成的二维线状缺陷——位错。如果我们把原子看成是一个个排队的小人，那晶体就是由小人排列形成的方阵。有时，列与列之间就会突然走进几个"不守规矩"的小人插队或者离开队列，从而在碳化硅晶体中形成了位错，影响材料的性能。科创中心的科研人员利用激光共聚焦显微技术，根据位错这种重要缺陷对应的熔融碱腐蚀坑的三维形貌，实现了对位错类型的精确识别。
图1 晶体材料中位错的示意图，以及半导体碳化硅中位错类型的精确识别。
层层深入探究氮杂质与位错的相互作用
氮杂质常用来调控碳化硅的宏观电学性质，科研人员结合开尔文探针显微技术和理论计算，进一步发现：氮杂质与位错的相互作用方面另有奥秘。在掺氮过程中，氮原子会更倾向于汇聚在"站错地方"的"原子"队列（即位错）附近，从而改变位错的电学属性，将位错的带电特性由负电转变为正电。不仅如此，他们还发现掺入氮杂质之后，出现线缺陷的那列"队伍"的滑移会变得更加容易，为高效、低损耗的碳化硅晶圆加工工艺开发奠定了基础。
图2 氮杂质调控位错的电学和动力学行为。
"对症下药" 探索碳化硅缺陷破解之道
还记得上文说的碳化硅缺陷中的点缺陷吗？点缺陷是指原子偏离正常排列晶格位点的一种零维缺陷，包括空位、间隙原子、替代位杂质原子等。这些零维缺陷也可以通过小人排队进行类比。例如，正常排列的小人队列中如果突然缺了一个人，就形成了"空位"。
在碳化硅中，铝杂质常用来调控碳化硅的宏观电学特性。带负电的铝杂质在碳化硅中引入大量空穴，实现了P型碳化硅的制备。然而，科研人员发现在碳化硅掺铝的过程中无意形成了大量带正电的碳空位，它们能影响碳化硅材料整体的电学性能，制约P型碳化硅电阻率的降低。
有没有什么办法可以解决这个问题呢？经过研究，科研人员提出了在非热力学平衡的条件下用氢钝化碳空位的方法，以消除碳空位的不利影响，使碳化硅整体的电学性能得到了提升。
图3（左）晶体中点缺陷的示意图；（右）碳化硅中碳空位的不利影响以及氢杂质对其钝化作用。
把基础问题说清楚，支撑产业实际问题的解决！
上述系列成果均是在杨德仁院士带领下，由皮孝东教授、求是科创学者王蓉研究员指导科研团队完成的。研究工作得到了浙江省"尖兵""领雁"研发攻关计划、科创中心"求是科创学者"计划的资助。
作为成果主要完成人之一的王蓉研究员告诉我们，半导体碳化硅材料研究团队成员绝大部分是85后、90后，他们中有博士后、技术开发专家、工程师。她说整个研发过程体现了科创中心有组织科研的优势，团队成员有从事实验材料学研究的，也有从事计算材料学研究的；有侧重基础科研的，也有侧重技术工作的，大家通力合作，才获得了该系列科研成果。
王蓉是第一批来科创中心先进半导体研究院工作的青年人才，经过这两年，她不仅收获了科研成果，也见证了科创中心的发展变迁，她说："我们的想法就是针对产业痛点，把相关基础问题研究清楚，形成对产业技术开发的有力支撑，真正提升半导体碳化硅材料的性能和良品率，解决产业实际问题！"
来源：浙江大学杭州国际科创中心，原文链接：https://hic.zju.edu.cn/2022/0528/c56130a2566573/page.htm