Uuring elektrilise takistuse jaotuse kohta n-tüüpi 4H-SiC kristallides

4H-SiC kui kolmanda põlvkonna pooljuhtmaterjal on tuntud oma laia ribalaiuse, kõrge soojusjuhtivuse ning suurepärase keemilise ja termilise stabiilsuse poolest, mistõttu on see suure võimsusega ja kõrgsageduslike rakenduste puhul väga väärtuslik. Nende seadmete jõudlust mõjutav võtmetegur seisneb aga elektrilise takistuse jaotuses 4H-SiC kristallides, eriti suurtes kristallides, kus ühtlane takistus on kristallide kasvu ajal pakiline probleem. N-tüüpi 4H-SiC eritakistuse reguleerimiseks kasutatakse lämmastiku dopingut, kuid keeruka radiaalse termilise gradiendi ja kristallide kasvumustrite tõttu muutub takistuse jaotus sageli ebaühtlaseks.

Kuidas katse viidi läbi?

Katses kasutati 150 mm läbimõõduga n-tüüpi 4H-SiC kristallide kasvatamiseks füüsikalise aurutranspordi (PVT) meetodit. Lämmastiku ja argooni gaaside vahekorra reguleerimisega kontrolliti lämmastiku dopingu kontsentratsiooni. Spetsiifilised katseetapid hõlmasid järgmist:

Kristallide kasvutemperatuuri hoidmine vahemikus 2100 °C kuni 2300 °C ja kasvurõhk 2 mbar.

Lämmastikgaasi mahuosa reguleerimine algselt 9%-lt 6%-ni ja seejärel tagasi kuni 9%-ni katse ajal.

Kasvanud kristallide lõikamine umbes 0,45 mm paksusteks vahvliteks eritakistuse mõõtmiseks ja Ramani spektroskoopia analüüsiks.

Tarkvara COMSOL kasutamine termilise välja simuleerimiseks kristallide kasvu ajal, et paremini mõista takistuse jaotust.

Mida uuring hõlmas?

See uuring hõlmas 150 mm läbimõõduga n-tüüpi 4H-SiC kristallide kasvatamist PVT meetodil ning takistuse jaotuse mõõtmist ja analüüsimist erinevatel kasvuetappidel. Tulemused näitasid, et kristallide takistust mõjutavad radiaalne termiline gradient ja kristallide kasvumehhanism, millel on erinevatel kasvuetappidel erinevad omadused.

Mis juhtub kristallide kasvu varases staadiumis?

Kristallide kasvu algfaasis mõjutab radiaalne termiline gradient enim takistuse jaotust. Takistus on madalam kristalli keskosas ja suureneb järk-järgult servade suunas, kuna suurem termiline gradient põhjustab lämmastiku dopingu kontsentratsiooni vähenemist keskelt äärealadele. Selle etapi lämmastiku dopingut mõjutab peamiselt temperatuurigradient, kusjuures kandja kontsentratsiooni jaotus näitab selgeid omadusi sõltuvalt temperatuurimuutustest. Ramani spektroskoopia mõõtmised kinnitasid, et kandja kontsentratsioon on kõrgem keskel ja madalam servades, mis vastab eritakistuse jaotuse tulemustele.

Millised muutused toimuvad kristallide kasvu keskfaasis?

Kristallide kasvu edenedes laienevad kasvupinnad ja radiaalne termiline gradient väheneb. Kuigi selles etapis mõjutab radiaalne termiline gradient endiselt takistuse jaotust, ilmneb spiraalse kasvumehhanismi mõju kristalli tahkudele. Takistus on tahulistes piirkondades märkimisväärselt madalam võrreldes tahkuta piirkondadega. Vahvli 23 Ramani spektroskoopia analüüs näitas, et kandja kontsentratsioon on tahupiirkondades oluliselt kõrgem, mis näitab, et spiraalne kasvumehhanism soodustab lämmastiku dopingu suurenemist, mille tulemuseks on nendes piirkondades väiksem takistus.

Millised on kristallide kasvu hilise staadiumi omadused?

Kristallide kasvu hilisemates etappides muutub tahkude spiraalne kasvumehhanism domineerivaks, vähendades veelgi eritakistust tahkude piirkondades ja suurendades takistuse erinevust kristalli keskpunktiga. Vahvli 44 takistuse jaotuse analüüs näitas, et tahkude piirkondade takistus on oluliselt madalam, mis vastab kõrgemale lämmastiku dopingule nendes piirkondades. Tulemused näitasid, et kristallide paksuse suurenemisega ületab spiraalse kasvumehhanismi mõju kandja kontsentratsioonile radiaalse termilise gradiendi oma. Lämmastiku dopingu kontsentratsioon on suhteliselt ühtlane mittetahulistes piirkondades, kuid oluliselt kõrgem tahkude piirkondades, mis näitab, et tahkude piirkondade dopingumehhanism reguleerib kandja kontsentratsiooni ja takistuse jaotust hilises kasvufaasis.

Kuidas on temperatuurigradient ja lämmastikudoping seotud?

Katse tulemused näitasid ka selget positiivset korrelatsiooni lämmastiku dopingu kontsentratsiooni ja temperatuurigradiendi vahel. Algstaadiumis on lämmastiku dopingu kontsentratsioon kõrgem keskel ja madalam tahkudes. Kristalli kasvades suureneb lämmastiku dopingu kontsentratsioon tahkude piirkondades järk-järgult, ületades lõpuks keskosa oma, mis põhjustab takistuse erinevusi. Seda nähtust saab optimeerida gaasilise lämmastiku mahuosa reguleerimisega. Numbriline simulatsioonianalüüs näitas, et radiaalse termilise gradiendi vähenemine toob kaasa ühtlasema lämmastiku dopingu kontsentratsiooni, mis on eriti ilmne hilisemates kasvufaasides. Katses tuvastati kriitiline temperatuurigradient (ΔT), millest allpool kipub takistusjaotus muutuma ühtlaseks.

Mis on lämmastiku dopingu mehhanism?

Lämmastiku dopingu kontsentratsiooni ei mõjuta mitte ainult temperatuur ja radiaalne termiline gradient, vaid ka C/Si suhe, gaasilise lämmastiku mahuosa ja kasvukiirus. Fasseerimata piirkondades kontrollib lämmastiku dopingut peamiselt temperatuur ja C / Si suhe, samas kui tahku piirkondades mängib lämmastiku gaasi mahufraktsioon olulisemat rolli. Uuring näitas, et lämmastikgaasi mahuosa reguleerimisega tahkude piirkondades saab takistust tõhusalt vähendada, saavutades kõrgema kandja kontsentratsiooni.

Joonisel fig 1 (a) on kujutatud valitud vahvlite positsioonid, mis kujutavad kristalli erinevaid kasvuetappe. Vahvel nr 1 esindab varajast staadiumi, nr 23 keskmist ja nr 44 hilist staadiumi. Neid vahvleid analüüsides saavad teadlased võrrelda takistuse jaotuse muutusi erinevatel kasvuetappidel.

Joonistel 1(b), 1© ja 1(d) on vastavalt näidatud vahvlite nr 1, nr 23 ja nr 44 eritakistuse jaotuse kaardid, kus värvi intensiivsus näitab eritakistuse taset, tumedamad piirkonnad tähistavad madalamate tahkude asukohti. takistus.

Vahvel nr 1: Kasvutahud on väikesed ja asetsevad vahvli servas ning üldiselt suure takistusega, mis suureneb keskelt servani.

Vahvel nr.23: tahud on laienenud ja on vahvli keskpunktile lähemal, tahkude piirkondades on oluliselt madalam takistus ja tahkudeta piirkondades suurem takistus.

Vahvel nr 44: tahud jätkavad laienemist ja liiguvad vahvli keskpunkti suunas, kusjuures tahkude piirkondades on takistus oluliselt madalam kui teistes piirkondades.

Joonisel 2(a) on näidatud kasvutahkude laiuse varieerumine kristalli läbimõõdu suunas ([1120] suund) aja jooksul. Tahked laienevad varases kasvufaasis kitsamatest piirkondadest hilisemas etapis laiematele piirkondadele.

Joonistel 2(b), 2© ja 2(d) on näidatud vastavalt vahvlite nr 1, nr 23 ja nr 44 eritakistuse jaotus piki läbimõõdu suunda.

Vahvel nr 1: kasvutahkude mõju on minimaalne, takistus suureneb järk-järgult keskelt servani.

Vahvel nr.23: tahud vähendavad oluliselt eritakistust, samas kui tahkuta piirkonnad säilitavad kõrgema takistuse taseme.

Vahvel nr 44: tahkude piirkondade eritakistus on oluliselt väiksem kui ülejäänud vahvlil, kusjuures tahkude mõju takistusele muutub tugevamaks.

Joonised 3(a), 3(b) ja 3© näitavad vastavalt LOPC režiimi Ramani nihkeid, mis on mõõdetud erinevates asendites (A, B, C, D) vahvlitel nr 1, nr 23 ja nr 44. , mis peegeldab muutusi kandja kontsentratsioonis.

Vahvel nr 1: Ramani nihe väheneb järk-järgult keskelt (punkt A) servani (punkt C), mis näitab lämmastiku dopingu kontsentratsiooni vähenemist keskelt servani. Punktis D (tahupiirkond) olulist Ramani nihke muutust ei täheldata.

Vahvlid nr 23 ja nr 44: Ramani nihe on tahke piirkondades suurem (punkt D), mis näitab lämmastiku dopingu suuremat kontsentratsiooni, mis on kooskõlas madala takistuse mõõtmistega.

Joonisel fig 4(a) on näidatud kandja kontsentratsiooni ja radiaalse temperatuuri gradiendi varieerumine vahvlite erinevates radiaalsetes asendites. See näitab, et kandja kontsentratsioon väheneb keskelt servani, samas kui temperatuurigradient on varases kasvufaasis suurem ja seejärel väheneb.

Joonis fig 4(b) illustreerib kandja kontsentratsiooni erinevust tahke keskpunkti ja vahvli keskpunkti vahel temperatuurigradienti (ΔT) korral. Varajases kasvufaasis (vahvel nr.1) on kandja kontsentratsioon vahvli keskmes suurem kui tahukeskmes. Kristalli kasvades ületab lämmastiku dopingu kontsentratsioon tahkude piirkondades järk-järgult keskosa kontsentratsiooni, kusjuures Δn muutub negatiivsest positiivseks, mis näitab tahkude kasvumehhanismi kasvavat domineerimist.

Joonisel 5 on näidatud takistuse muutus vahvli keskpunktis ja tahkude keskpunktis aja jooksul. Kristalli kasvades suureneb takistus vahvli keskmes 15,5 mΩ·cm-lt 23,7 mΩ·cm-ni, samal ajal kui tahke keskpunkti eritakistus suureneb esialgu 22,1 mΩ·cm-ni ja seejärel väheneb 19,5 mΩ·cm-ni. Takistuse vähenemine tahkude piirkondades korreleerub gaasilise lämmastiku mahuosa muutustega, mis näitab negatiivset korrelatsiooni lämmastiku dopingu kontsentratsiooni ja takistuse vahel.

Conclusions

Uuringu peamised järeldused on, et radiaalne termiline gradient ja kristalli tahke kasv mõjutavad oluliselt 4H-SiC kristallide eritakistuse jaotust:

Kristallide kasvu varases staadiumis määrab radiaalne termiline gradient kandja kontsentratsiooni jaotuse, mille takistus on kristalli keskpunktis madalam ja servades kõrgem.

Kristalli kasvades suureneb lämmastiku dopingu kontsentratsioon tahkude piirkondades, mis vähendab eritakistust, kusjuures eritakistuste erinevus tahkude piirkondade ja kristalli keskpunkti vahel muutub ilmsemaks.

Tuvastati kriitiline temperatuurigradient, mis tähistab eritakistuse jaotuse juhtimise üleminekut radiaalsest termilisest gradiendist tahkude kasvumehhanismile.**

Algallikas: Xie, X., Kong, Y., Xu, L., Yang, D., & Pi, X. (2024). N-tüüpi 4H-SiC kristalli elektrilise eritakistuse jaotus. Ajakiri Crystal Growth. https://doi.org/10.1016/j.jcrysgro.2024.127892