最後更新:2026年10月8日半導體材料矽晶圓製造(長晶・切片・研磨)中國大陸:位错

差排是什麼

Dislocation

差排是晶體中原子排列的錯位呈線狀延伸的缺陷(線缺陷),依錯位方向分為刃差排與螺旋差排。矽中差排沿{111}面滑移,貫穿 pn 接面時會成為漏電流路徑,因此單晶晶棒以無差排方式成長。GaN-on-Si 與 SiC 的差排較多,降低穿透差排與轉換 BPD 是品質與可靠度的關鍵。

目錄4 項
  1. 定義與原理
  2. 常見問題
  3. 相關用語
  4. 比較文章

定義與原理

差排(dislocation)是晶體中原子排列的錯位呈線狀延伸的缺陷,相當於晶體只有一部分滑移了1列原子時的邊界線,也稱為線缺陷。表示錯位方向與大小的向量稱為布格向量(Burgers vector),與差排線垂直者稱為刃差排,平行者稱為螺旋差排,介於兩者之間者稱為混合差排。

金屬之所以柔軟可彎曲,是因為差排容易移動;但在由共價鍵構成的矽中,室溫下差排幾乎不會移動。然而在高溫下會變得容易移動,晶圓承受熱應力時,差排會沿{111}面滑移並增殖。這種在熱處理中從晶圓邊緣或支撐處導入的缺陷稱為滑移(slip)。

差排對元件有害。差排周圍的鍵結扭曲,在能隙中形成能階,貫穿 pn 接面時會成為漏電流路徑。此外金屬雜質聚集在差排上析出時,也可能造成局部短路。因此矽單晶晶棒以不含差排的無差排晶體方式成長。

堆疊晶格常數不同的材料時,介面會產生差排。在矽上的 SiGe 或 GaN、藍寶石上的 GaN 中,會產生用以消除錯位的錯配差排,以及從該處貫穿薄膜到達表面的穿透差排。GaN-on-Si 的穿透差排密度一般為10⁸~10⁹ cm⁻²左右,與幾乎無差排的矽相差好幾個數量級,因此設計可減少差排的緩衝層相當重要。

在 SiC 中,差排直接關係到元件的可靠度。基板或磊晶層中所含的基面差排(BPD),在通電時接收電子與電洞再結合的能量而擴展為堆疊缺陷,使導通電壓隨時間上升(雙極劣化)。因此會採用在磊晶成長初期將 BPD 轉換為無害的穿透刃差排的技術。差排的觀察使用以選擇性蝕刻使其浮現為蝕刻坑的方法、X 光繞射形貌術、穿透式電子顯微鏡(TEM)。

差排的常見問題

刃差排與螺旋差排有什麼不同?
錯位方向(布格向量)與差排線方向的關係不同。刃差排的錯位與差排線垂直,形狀是在晶體中只插入半片多餘的原子面。螺旋差排的錯位與差排線平行,原子面像螺旋樓梯般相連。實際的差排多為同時具有兩種性質的混合差排。
矽晶圓中有差排嗎?
元件用的矽單晶以不含差排的無差排晶體方式成長。晶種浸入熔湯時導入的差排,會以在晶種之後將晶體細縮數 mm 左右的縮頸(necking)排出晶體外。但元件製程的熱處理中若施加大應力,可能會在之後導入稱為滑移的差排。
為什麼差排在 GaN 或 SiC 中會成為問題?
因為基板與薄膜的晶格常數或熱膨脹係數差異,或長晶本身的困難,使其所含差排比矽多出好幾個數量級。GaN-on-Si 的穿透差排會導致漏電流與可靠度下降,SiC 的基面差排則會在通電中擴展為堆疊缺陷而使導通電壓上升。無論哪一種,降低差排或轉換為無害種類都是品質的關鍵。

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