Štúdia o distribúcii elektrického odporu v kryštáloch n-typu 4H-SiC

4H-SiC ako polovodičový materiál tretej generácie je známy svojou širokou šírkou pásma, vysokou tepelnou vodivosťou a vynikajúcou chemickou a tepelnou stabilitou, vďaka čomu je veľmi cenný vo vysokovýkonných a vysokofrekvenčných aplikáciách. Kľúčový faktor ovplyvňujúci výkon týchto zariadení však spočíva v distribúcii elektrického odporu v kryštáli 4H-SiC, najmä vo veľkých kryštáloch, kde je jednotný odpor naliehavým problémom počas rastu kryštálov. Na úpravu odporu 4H-SiC typu n sa používa dopovanie dusíkom, ale v dôsledku zložitého radiálneho tepelného gradientu a vzorcov rastu kryštálov sa distribúcia odporu často stáva nerovnomerným.

Ako bol experiment vykonaný?

Experiment využíval metódu Physical Vapor Transport (PVT) na pestovanie kryštálov n-typu 4H-SiC s priemerom 150 mm. Úpravou pomeru zmesi dusíka a argónu sa regulovala koncentrácia dopingu dusíka. Špecifické experimentálne kroky zahŕňali:

Udržiavanie teploty rastu kryštálov medzi 2100 °C a 2300 °C a rastového tlaku pri 2 mbar.

Úprava objemovej frakcie plynného dusíka z počiatočných 9 % na 6 % a potom späť na 9 % počas experimentu.

Rezanie vyrasteného kryštálu na plátky s hrúbkou približne 0,45 mm na meranie odporu a analýzu Ramanovou spektroskopiou.

Použitie softvéru COMSOL na simuláciu tepelného poľa počas rastu kryštálov na lepšie pochopenie distribúcie odporu.

Čo zahŕňal výskum?

Táto štúdia zahŕňala pestovanie kryštálov n-typu 4H-SiC s priemerom 150 mm pomocou metódy PVT a meranie a analýzu distribúcie odporu v rôznych štádiách rastu. Výsledky ukázali, že merný odpor kryštálu je ovplyvnený radiálnym tepelným gradientom a mechanizmom rastu kryštálov, ktoré vykazujú rôzne charakteristiky v rôznych štádiách rastu.

Čo sa stane v ranom štádiu rastu kryštálu?

V počiatočnej fáze rastu kryštálov radiálny tepelný gradient najvýraznejšie ovplyvňuje rozloženie odporu. Odpor je nižší v centrálnej oblasti kryštálu a postupne sa zvyšuje smerom k okrajom v dôsledku väčšieho tepelného gradientu, ktorý spôsobuje pokles koncentrácie dopingu dusíka od stredu k okrajom. Dopovanie dusíka v tomto štádiu je primárne ovplyvnené teplotným gradientom, pričom distribúcia koncentrácie nosiča vykazuje jasné charakteristiky v závislosti od teplotných zmien. Merania Ramanovej spektroskopie potvrdili, že koncentrácia nosiča je vyššia v strede a nižšia na okrajoch, čo zodpovedá výsledkom distribúcie odporu.

Aké zmeny sa vyskytujú v strednej fáze rastu kryštálov?

Ako rast kryštálov postupuje, rastové fazety sa rozširujú a radiálny tepelný gradient klesá. Počas tohto štádia, hoci radiálny tepelný gradient stále ovplyvňuje distribúciu odporu, je zrejmý vplyv mechanizmu špirálového rastu na kryštálové fazety. Odpor je výrazne nižší vo fazetových oblastiach v porovnaní s nefazetovými oblasťami. Ramanova spektroskopická analýza plátku 23 ukázala, že koncentrácia nosiča je výrazne vyššia vo fazetových oblastiach, čo naznačuje, že mechanizmus špirálového rastu podporuje zvýšené dopovanie dusíkom, čo vedie k nižšiemu odporu v týchto oblastiach.

Aké sú charakteristiky neskorého štádia rastu kryštálu?

V neskorších štádiách rastu kryštálov sa mechanizmus špirálového rastu na fazetách stáva dominantným, čím sa ďalej znižuje merný odpor v oblastiach fazety a zvyšuje sa rozdiel v mernom odpore so stredom kryštálu. Analýza distribúcie odporu plátku 44 odhalila, že odpor v oblastiach fazety je výrazne nižší, čo zodpovedá vyššiemu dopovaniu dusíka v týchto oblastiach. Výsledky ukázali, že so zvyšujúcou sa hrúbkou kryštálov vplyv mechanizmu špirálového rastu na koncentráciu nosiča prevyšuje vplyv radiálneho tepelného gradientu. Koncentrácia dopovania dusíka je relatívne jednotná v nefazetových oblastiach, ale výrazne vyššia v fazetových oblastiach, čo naznačuje, že dopingový mechanizmus vo fazetových oblastiach riadi koncentráciu nosiča a distribúciu odporu v neskorom štádiu rastu.

Ako súvisí teplotný gradient a dusíkový doping?

Výsledky experimentu tiež ukázali jasnú pozitívnu koreláciu medzi koncentráciou dopingu dusíka a teplotným gradientom. V počiatočnom štádiu je koncentrácia dopingu dusíka vyššia v strede a nižšia vo fazetových oblastiach. Ako kryštál rastie, koncentrácia dopingu dusíka v oblastiach fazety sa postupne zvyšuje, prípadne prevyšuje koncentráciu v strede, čo vedie k rozdielom v odpore. Tento jav možno optimalizovať riadením objemovej frakcie plynného dusíka. Numerická simulačná analýza odhalila, že zníženie radiálneho tepelného gradientu vedie k rovnomernejšej koncentrácii dopingu dusíka, čo je obzvlášť zrejmé v neskorších štádiách rastu. Experiment identifikoval kritický teplotný gradient (AT), pod ktorým má distribúcia odporu tendenciu byť rovnomerná.

Aký je mechanizmus dusíkového dopingu?

Koncentráciu dopingu dusíka ovplyvňuje nielen teplota a radiálny tepelný gradient, ale aj pomer C/Si, objemová frakcia plynného dusíka a rýchlosť rastu. V nefazetových oblastiach je dopovanie dusíkom kontrolované hlavne teplotou a pomerom C/Si, zatiaľ čo v fazetových oblastiach hrá dôležitejšiu úlohu objemová frakcia plynného dusíka. Štúdia ukázala, že úpravou objemovej frakcie plynného dusíka vo fazetových oblastiach možno účinne znížiť odpor, čím sa dosiahne vyššia koncentrácia nosiča.

Obrázok 1(a) znázorňuje polohy vybraných plátkov, ktoré predstavujú rôzne štádiá rastu kryštálu. Oblátka č. 1 predstavuje skoré štádium, č. 23 stredné štádium a č. 44 neskoré štádium. Analýzou týchto doštičiek môžu výskumníci porovnať zmeny distribúcie odporu v rôznych štádiách rastu.

Obrázky 1(b), 1© a 1(d) znázorňujú distribučné mapy merného odporu plátkov č. odpor.

Oblátka č. 1: Rastové fazety sú malé a nachádzajú sa na okraji plátku, s celkovo vysokým odporom, ktorý sa zvyšuje od stredu k okraju.

Oblátka č. 23: Fazety sa rozšírili a sú bližšie k stredu doštičky, s výrazne nižším odporom v oblastiach fazety a vyšším odporom v oblastiach bez fazety.

Oblátka č. 44: Fazety sa naďalej rozširujú a pohybujú smerom k stredu doštičky, pričom odpor v oblastiach faziet je výrazne nižší ako v iných oblastiach.

Obrázok 2(a) ukazuje variáciu šírky rastových faziet pozdĺž smeru priemeru kryštálu (smer [1120]) v priebehu času. Fazety sa rozširujú z užších oblastí v ranom štádiu rastu do širších oblastí v neskoršom štádiu.

Obrázky 2(b), 2© a 2(d) zobrazujú rozloženie odporu pozdĺž smeru priemeru plátkov č. 1, č. 23 a č. 44.

Oblátka č. 1: Vplyv rastových faziet je minimálny, pričom rezistivita sa postupne zvyšuje od stredu k okraju.

Oblátka č. 23: Fazety výrazne znižujú merný odpor, zatiaľ čo oblasti bez fazety si zachovávajú vyššiu úroveň merného odporu.

Oblátka č. 44: Oblasti fazety majú výrazne nižší merný odpor ako zvyšok plátku, pričom fazetový efekt na merný odpor sa stáva výraznejším.

Obrázky 3(a), 3(b) a 3© znázorňujú Ramanove posuny režimu LOPC merané v rôznych polohách (A, B, C, D) na doštičkách č. 1, č. 23 a č. 44 odrážajúce zmeny v koncentrácii nosiča.

Oblátka č. 1: Ramanov posun postupne klesá od stredu (bod A) k okraju (bod C), čo naznačuje zníženie koncentrácie dopingu dusíka od stredu k okraju. V bode D (oblasť fazety) nie je pozorovaná žiadna významná zmena Ramanovho posunu.

Oblátky č. 23 a č. 44: Ramanov posun je vyšší v oblastiach fazety (bod D), čo naznačuje vyššiu koncentráciu dopingu dusíka, čo je v súlade s meraniami nízkeho odporu.

Obrázok 4(a) ukazuje zmenu koncentrácie nosiča a radiálneho teplotného gradientu v rôznych radiálnych polohách plátkov. Znamená to, že koncentrácia nosiča klesá od stredu k okraju, zatiaľ čo teplotný gradient je väčší v počiatočnom štádiu rastu a následne klesá.

Obrázok 4(b) znázorňuje zmenu v rozdiele v koncentrácii nosiča medzi stredom fazety a stredom plátku s teplotným gradientom (AT). V počiatočnom štádiu rastu (oblátka č. 1) je koncentrácia nosiča vyššia v strede plátku ako v strede fazety. Ako kryštál rastie, koncentrácia dopingu dusíka v oblastiach faziet postupne prevyšuje koncentráciu v strede, pričom Δn sa mení z negatívneho na pozitívny, čo naznačuje rastúcu dominanciu mechanizmu rastu faziet.

Obrázok 5 ukazuje zmenu odporu v strede plátku a stredu fazety v priebehu času. Ako kryštál rastie, merný odpor v strede plátku sa zvyšuje z 15,5 mΩ·cm na 23,7 mΩ·cm, zatiaľ čo merný odpor v strede fazety sa spočiatku zvyšuje na 22,1 mΩ·cm a potom klesá na 19,5 mΩ·cm. Pokles merného odporu vo fazetových oblastiach koreluje so zmenami v objemovej frakcii plynného dusíka, čo naznačuje negatívnu koreláciu medzi koncentráciou dopingu dusíka a merným odporom.

Závery

Kľúčové závery štúdie sú, že radiálny tepelný gradient a rast fazety kryštálov významne ovplyvňujú distribúciu odporu v kryštáloch 4H-SiC:

V počiatočnom štádiu rastu kryštálov určuje radiálny tepelný gradient distribúciu koncentrácie nosiča s nižším odporom v strede kryštálu a vyšším na okrajoch.

Ako kryštál rastie, koncentrácia dopingu dusíka sa zvyšuje v oblastiach fazety, čím sa znižuje odpor, pričom rozdiel v odpore medzi oblasťami faziet a stredom kryštálu sa stáva zreteľnejším.

Bol identifikovaný kritický teplotný gradient, ktorý označuje prechod riadenia distribúcie odporu z radiálneho tepelného gradientu na mechanizmus rastu fazety.**

Pôvodný zdroj: Xie, X., Kong, Y., Xu, L., Yang, D., & Pi, X. (2024). Rozloženie elektrického odporu kryštálu n-typu 4H-SiC. Journal of Crystal Growth. https://doi.org/10.1016/j.jcrysgro.2024.127892