Študija o porazdelitvi električne upornosti v kristalih n-tipa 4H-SiC

4H-SiC, kot polprevodniški material tretje generacije, je znan po svoji široki pasovni vrzeli, visoki toplotni prevodnosti ter odlični kemični in toplotni stabilnosti, zaradi česar je zelo dragocen v aplikacijah z visoko močjo in visoko frekvenco. Vendar je ključni dejavnik, ki vpliva na delovanje teh naprav, porazdelitev električne upornosti znotraj kristala 4H-SiC, zlasti v velikih kristalih, kjer je enakomerna upornost pereča težava med rastjo kristala. Dopiranje z dušikom se uporablja za prilagoditev upornosti n-tipa 4H-SiC, vendar zaradi kompleksnega radialnega toplotnega gradienta in vzorcev rasti kristalov porazdelitev upornosti pogosto postane neenakomerna.

Kako je bil izveden poskus?

Eksperiment je uporabil metodo fizičnega prenosa hlapov (PVT) za gojenje kristalov n-tipa 4H-SiC s premerom 150 mm. S prilagajanjem mešanega razmerja plinov dušika in argona smo kontrolirali koncentracijo dušikovega dopinga. Posebni poskusni koraki so vključevali:

Ohranjanje temperature rasti kristalov med 2100 °C in 2300 °C in rastnega tlaka pri 2 mbar.

Prilagoditev volumetričnega deleža plinastega dušika z začetnih 9 % navzdol na 6 % in nato med poskusom nazaj na 9 %.

Rezanje gojenega kristala na rezine debeline približno 0,45 mm za merjenje upornosti in ramansko spektroskopsko analizo.

Uporaba programske opreme COMSOL za simulacijo toplotnega polja med rastjo kristala za boljše razumevanje porazdelitve upornosti.

Kaj je vključevala raziskava?

Ta študija je vključevala gojenje kristalov n-tipa 4H-SiC s premerom 150 mm z uporabo metode PVT ter merjenje in analizo porazdelitve upornosti na različnih stopnjah rasti. Rezultati so pokazali, da na upornost kristala vplivata radialni toplotni gradient in mehanizem rasti kristala, ki kažeta različne značilnosti na različnih stopnjah rasti.

Kaj se zgodi v zgodnji fazi rasti kristalov?

V začetni fazi rasti kristalov na porazdelitev upornosti najbolj vpliva radialni toplotni gradient. Upornost je nižja v osrednjem območju kristala in postopoma narašča proti robovom zaradi večjega toplotnega gradienta, ki povzroča zmanjšanje koncentracije dušikovega dopinga od središča proti obrobju. Na dopiranje dušika na tej stopnji vpliva predvsem temperaturni gradient, pri čemer porazdelitev koncentracije nosilca kaže jasne značilnosti, odvisno od temperaturnih nihanj. Meritve ramanske spektroskopije so potrdile, da je koncentracija nosilcev višja v središču in nižja na robovih, kar ustreza rezultatom porazdelitve upornosti.

Kakšne spremembe se zgodijo v srednji fazi rasti kristalov?

Ko kristalna rast napreduje, se rastne ploskve razširijo, radialni toplotni gradient pa se zmanjša. V tej fazi, čeprav radialni toplotni gradient še vedno vpliva na porazdelitev upornosti, postane očiten vpliv mehanizma spiralne rasti na kristalne ploskve. Upornost je opazno manjša v fasetnih regijah v primerjavi z nefasetnimi regijami. Ramanska spektroskopska analiza rezine 23 je pokazala, da je koncentracija nosilca bistveno višja v fasetnih regijah, kar kaže, da mehanizem spiralne rasti spodbuja povečano dopiranje dušika, kar ima za posledico nižjo upornost v teh regijah.

Kakšne so značilnosti pozne faze rasti kristalov?

V poznejših fazah rasti kristalov prevladuje spiralni mehanizem rasti na fasetah, kar dodatno zmanjša upornost v predelih faset in poveča razliko upornosti s središčem kristala. Analiza porazdelitve upornosti rezine 44 je pokazala, da je upornost v območjih faset znatno nižja, kar ustreza večjemu dopiranju dušika na teh področjih. Rezultati so pokazali, da z večanjem debeline kristala vpliv mehanizma spiralne rasti na koncentracijo nosilcev presega vpliv radialnega toplotnega gradienta. Koncentracija dušikovega dopinga je razmeroma enotna v regijah brez faset, vendar bistveno višja v regijah faset, kar kaže, da mehanizem dopinga v regijah faset ureja koncentracijo nosilcev in porazdelitev upornosti v pozni fazi rasti.

Kako sta povezana temperaturni gradient in dušikov doping?

Rezultati poskusa so pokazali tudi jasno pozitivno korelacijo med koncentracijo dopinga dušika in temperaturnim gradientom. V zgodnji fazi je koncentracija dušikovega dopinga višja v središču in nižja v predelih faset. Ko kristal raste, se koncentracija dušikovega dopinga v predelih faset postopoma povečuje, sčasoma preseže tisto v središču, kar vodi do razlik v upornosti. Ta pojav je mogoče optimizirati z nadzorom volumetričnega deleža plinastega dušika. Analiza numerične simulacije je pokazala, da zmanjšanje radialnega toplotnega gradienta vodi do bolj enotne koncentracije dušikovega dopinga, kar je še posebej očitno v poznejših fazah rasti. Poskus je identificiral kritični temperaturni gradient (ΔT), pod katerim upornost porazdelitve postane enakomerna.

Kakšen je mehanizem dopinga z dušikom?

Na koncentracijo dušikovega dopinga ne vplivata samo temperatura in radialni toplotni gradient, temveč tudi razmerje C/Si, volumetrični delež dušikovega plina in hitrost rasti. V območjih brez faset je doping z dušikom v glavnem nadzorovan s temperaturo in razmerjem C/Si, medtem ko ima v območjih fasete volumetrična frakcija dušikovega plina bolj ključno vlogo. Študija je pokazala, da je mogoče s prilagajanjem volumetrične frakcije dušikovega plina v fasetnih regijah učinkovito zmanjšati upornost in tako doseči višjo koncentracijo nosilca.

Slika 1(a) prikazuje položaje izbranih rezin, ki predstavljajo različne stopnje rasti kristala. Wafer št.1 predstavlja zgodnjo fazo, št.23 srednjo fazo in št.44 pozno fazo. Z analizo teh rezin lahko raziskovalci primerjajo spremembe porazdelitve upornosti na različnih stopnjah rasti.

Slike 1(b), 1© in 1(d) prikazujejo zemljevide porazdelitve upornosti rezin št. 1, št. 23 in št. upornost.

Rezina št. 1: Fasete rasti so majhne in se nahajajo na robu rezine, s splošno visoko upornostjo, ki narašča od sredine proti robu.

Rezina št. 23: Fasete so se razširile in so bližje središču rezine, z znatno nižjo upornostjo v območjih faset in večjo upornostjo v območjih brez faset.

Rezina št. 44: Fasete se še naprej širijo in premikajo proti središču rezine, pri čemer je upornost v predelih faset izrazito nižja kot na drugih področjih.

Slika 2(a) prikazuje spreminjanje širine faset rasti vzdolž smeri premera kristala (smer [1120]) skozi čas. Fasete se razširijo iz ožjih regij v zgodnji fazi rasti na širša območja v poznejši fazi.

Slike 2(b), 2© in 2(d) prikazujejo porazdelitev upornosti vzdolž smeri premera za rezine št. 1, št. 23 in št. 44.

Rezina št. 1: Vpliv rastnih faset je minimalen, upornost pa postopoma narašča od središča do roba.

Wafer št. 23: Fasete znatno znižajo upornost, medtem ko področja brez faset ohranjajo višje ravni upornosti.

Rezina št. 44: Območja faset imajo znatno nižjo upornost kot preostali del rezine, pri čemer postane učinek fasete na upornost bolj izrazit.

Slike 3(a), 3(b) in 3© prikazujejo Ramanove premike načina LOPC, izmerjene na različnih položajih (A, B, C, D) na rezinah št. 1, št. 23 in št. 44 , kar odraža spremembe koncentracije nosilca.

Rezina št. 1: Ramanov premik se postopoma zmanjšuje od sredine (točka A) do roba (točka C), kar kaže na zmanjšanje koncentracije dušikovega dopinga od sredine do roba. V točki D (območje faset) ni opaziti pomembne spremembe Ramanovega premika.

Rezine št. 23 in št. 44: Ramanov premik je višji v območjih faset (točka D), kar kaže na višjo koncentracijo dopinga z dušikom, skladno z meritvami nizke upornosti.

Slika 4(a) prikazuje variacijo koncentracije nosilca in radialnega temperaturnega gradienta pri različnih radialnih položajih rezin. Kaže, da se koncentracija nosilca zmanjšuje od središča do roba, medtem ko je temperaturni gradient večji v zgodnji fazi rasti in se kasneje zmanjša.

Slika 4(b) prikazuje spremembo razlike v koncentraciji nosilca med središčem fasete in središčem rezine s temperaturnim gradientom (ΔT). V zgodnji fazi rasti (rezina št. 1) je koncentracija nosilca večja v središču rezine kot v središču fasete. Ko kristal raste, koncentracija dušikovega dopinga v predelih faset postopoma presega tisto v središču, pri čemer se Δn spremeni iz negativnega v pozitivno, kar kaže na naraščajočo prevlado mehanizma rasti faset.

Slika 5 prikazuje spremembo upornosti v središču rezine in središču fasete skozi čas. Ko kristal raste, se upornost v središču rezine poveča s 15,5 mΩ·cm na 23,7 mΩ·cm, medtem ko se upornost v središču fasete sprva poveča na 22,1 mΩ·cm in nato zmanjša na 19,5 mΩ·cm. Zmanjšanje upornosti v fasetnih regijah je v korelaciji s spremembami volumetričnega deleža dušikovega plina, kar kaže na negativno korelacijo med koncentracijo dopinga dušika in upornostjo.

Sklepi

Ključni zaključki študije so, da radialni toplotni gradient in rast kristalnih faset pomembno vplivata na porazdelitev upornosti v kristalih 4H-SiC:

V zgodnji fazi rasti kristala radialni toplotni gradient določa porazdelitev koncentracije nosilca z nižjo upornostjo v središču kristala in višjo na robovih.

Ko kristal raste, se koncentracija dušikovega dopinga povečuje v predelih faset, kar zmanjšuje upornost, pri čemer postaja razlika upornosti med regijami faset in središčem kristala bolj očitna.

Identificiran je bil kritični temperaturni gradient, ki označuje prehod nadzora porazdelitve upornosti z radialnega toplotnega gradienta na mehanizem rasti faset.**

Izvirni vir: Xie, X., Kong, Y., Xu, L., Yang, D., & Pi, X. (2024). Porazdelitev električne upornosti kristala n-tipa 4H-SiC. Journal of Crystal Growth. https://doi.org/10.1016/j.jcrysgro.2024.127892