Badanie rozkładu oporności elektrycznej w kryształach 4H-SiC typu n

4H-SiC, jako materiał półprzewodnikowy trzeciej generacji, słynie z szerokiego pasma wzbronionego, wysokiej przewodności cieplnej oraz doskonałej stabilności chemicznej i termicznej, co czyni go bardzo cennym w zastosowaniach wymagających dużej mocy i wysokiej częstotliwości. Jednak kluczowym czynnikiem wpływającym na działanie tych urządzeń jest rozkład oporności elektrycznej w krysztale 4H-SiC, szczególnie w kryształach o dużych rozmiarach, gdzie jednolita rezystywność jest palącym problemem podczas wzrostu kryształów. Domieszkowanie azotem służy do regulacji rezystywności 4H-SiC typu n, ale ze względu na złożony radialny gradient termiczny i wzorce wzrostu kryształów rozkład rezystywności często staje się nierówny.

Jak przeprowadzono eksperyment?

W eksperymencie wykorzystano metodę fizycznego transportu pary (PVT) do hodowli kryształów 4H-SiC typu n o średnicy 150 mm. Dostosowując stosunek mieszaniny gazów azotu i argonu, kontrolowano stężenie domieszki azotu. Konkretne etapy eksperymentalne obejmowały:

Utrzymywanie temperatury wzrostu kryształów pomiędzy 2100°C a 2300°C i ciśnienia wzrostu 2 mbar.

Dostosowanie udziału objętościowego azotu gazowego od początkowych 9% do 6%, a następnie w trakcie eksperymentu z powrotem do 9%.

Cięcie wyhodowanego kryształu na płytki o grubości około 0,45 mm w celu pomiaru rezystywności i analizy spektroskopii Ramana.

Wykorzystanie oprogramowania COMSOL do symulacji pola termicznego podczas wzrostu kryształów w celu lepszego zrozumienia rozkładu rezystywności.

Co obejmowało badanie?

Badania obejmowały hodowlę kryształów 4H-SiC typu n o średnicy 150 mm metodą PVT oraz pomiar i analizę rozkładu rezystywności na różnych etapach wzrostu. Wyniki pokazały, że na rezystywność kryształu wpływa promieniowy gradient termiczny i mechanizm wzrostu kryształów, które wykazują różne cechy na różnych etapach wzrostu.

Co się dzieje na wczesnym etapie wzrostu kryształów?

W początkowej fazie wzrostu kryształów promieniowy gradient termiczny w największym stopniu wpływa na rozkład rezystywności. Rezystywność jest niższa w centralnym obszarze kryształu i stopniowo wzrasta w kierunku krawędzi, ze względu na większy gradient termiczny powodujący spadek stężenia domieszki azotu od środka do obrzeży. Na domieszkowanie azotu na tym etapie wpływa przede wszystkim gradient temperatury, przy czym rozkład stężenia nośnika wykazuje wyraźną charakterystykę w zależności od zmian temperatury. Pomiary spektroskopią ramanowską potwierdziły, że stężenie nośnika jest wyższe w środku i mniejsze na krawędziach, co odpowiada wynikom rozkładu rezystywności.

Jakie zmiany zachodzą w środkowej fazie wzrostu kryształów?

W miarę postępu wzrostu kryształów, ścianki wzrostu rozszerzają się, a promieniowy gradient termiczny maleje. Na tym etapie, chociaż promieniowy gradient termiczny nadal wpływa na rozkład rezystywności, widoczny staje się wpływ mechanizmu wzrostu spiralnego na ścianki kryształu. Rezystywność jest znacznie niższa w obszarach fasetowych w porównaniu z obszarami bez fasetowych. Analiza spektroskopii Ramana płytki 23 wykazała, że ​​stężenie nośnika jest znacznie wyższe w obszarach fasetowych, co wskazuje, że spiralny mechanizm wzrostu sprzyja zwiększonemu domieszkowaniu azotu, co skutkuje niższą opornością w tych obszarach.

Jaka jest charakterystyka późnego etapu wzrostu kryształów?

W późniejszych stadiach wzrostu kryształów dominuje spiralny mechanizm wzrostu na fasetach, co dodatkowo zmniejsza rezystywność w obszarach faset i zwiększa różnicę rezystywności w centrum kryształu. Analiza rozkładu rezystywności płytki 44 ujawniła, że ​​rezystywność w obszarach fasetowych jest znacznie niższa, co odpowiada większemu domieszkowaniu azotu w tych obszarach. Wyniki wykazały, że wraz ze wzrostem grubości kryształu wpływ mechanizmu wzrostu spiralnego na stężenie nośnika przewyższa wpływ promieniowego gradientu termicznego. Stężenie domieszkowania azotem jest stosunkowo jednolite w obszarach bez faset, ale znacznie wyższe w obszarach fasetowych, co wskazuje, że mechanizm domieszkowania w obszarach fasetowych reguluje stężenie nośnika i rozkład rezystywności w późnej fazie wzrostu.

W jaki sposób gradient temperatury i domieszkowanie azotem są ze sobą powiązane?

Wyniki eksperymentu wykazały także wyraźną dodatnią korelację pomiędzy stężeniem domieszki azotu a gradientem temperatury. We wczesnym etapie stężenie domieszkowania azotu jest wyższe w centrum i niższe w obszarach fasetowych. W miarę wzrostu kryształu stężenie domieszki azotu w obszarach fasetowych stopniowo wzrasta, ostatecznie przekraczając stężenie w środku, co prowadzi do różnic w rezystywności. Zjawisko to można zoptymalizować poprzez kontrolowanie frakcji objętościowej azotu. Analiza symulacji numerycznej wykazała, że ​​zmniejszenie promieniowego gradientu termicznego prowadzi do bardziej równomiernego stężenia domieszki azotu, szczególnie widocznego w późniejszych stadiach wzrostu. W eksperymencie zidentyfikowano krytyczny gradient temperatury (ΔT), poniżej którego rozkład rezystywności staje się równomierny.

Jaki jest mechanizm dopingu azotem?

Na stężenie domieszkowanego azotu wpływa nie tylko temperatura i promieniowy gradient termiczny, ale także stosunek C/Si, udział objętościowy gazowego azotu i szybkość wzrostu. W regionach bez aspektów domieszkowanie azotem jest kontrolowane głównie przez temperaturę i stosunek C/Si, podczas gdy w obszarach aspektowych frakcja objętościowa azotu odgrywa bardziej kluczową rolę. Badanie wykazało, że dostosowując udział objętościowy azotu w obszarach fasetowych, można skutecznie zmniejszyć oporność, uzyskując wyższe stężenie nośnika.

Rysunek 1(a) przedstawia położenie wybranych płytek, reprezentujące różne etapy wzrostu kryształu. Wafel nr 1 reprezentuje etap wczesny, nr 23 etap środkowy, a nr 44 etap późny. Analizując te płytki, badacze mogą porównać zmiany rozkładu rezystywności na różnych etapach wzrostu.

Ryciny 1(b), 1© i 1(d) przedstawiają odpowiednio mapy rozkładu oporności płytek nr 1, nr 23 i nr 44, gdzie intensywność koloru wskazuje poziomy oporności, z ciemniejszymi obszarami reprezentującymi pozycje fasetek z niższymi oporność.

Wafel nr 1: Ścianki wzrostu są małe i znajdują się na krawędzi wafla, a ogólna oporność wzrasta od środka do krawędzi.

Płytka nr 23: Fasety są powiększone i znajdują się bliżej środka płytki, przy znacznie niższej oporności w obszarach fasetowych i wyższej w obszarach bez fasetek.

Płytka nr 44: Fasety w dalszym ciągu rozszerzają się i przesuwają w kierunku środka płytki, przy czym opór w obszarach fasetek jest znacznie niższy niż w innych obszarach.

Figura 2(a) przedstawia zmianę szerokości ścianek wzrostu wzdłuż kierunku średnicy kryształu (kierunek [1120]) w czasie. Fasety rozszerzają się od węższych regionów we wczesnej fazie wzrostu do szerszych obszarów w późniejszej fazie.

Rysunki 2(b), 2© i 2(d) przedstawiają rozkład rezystywności wzdłuż kierunku średnicy płytek, odpowiednio nr 1, nr 23 i nr 44.

Wafel nr 1: Wpływ ścianek wzrostu jest minimalny, a oporność stopniowo rośnie od środka do krawędzi.

Wafel nr 23: Fasety znacznie obniżają rezystywność, podczas gdy obszary bez fasetek utrzymują wyższy poziom rezystywności.

Płytka nr 44: Obszary fasetek mają znacznie niższą oporność niż reszta płytki, przy czym wpływ fasetek na rezystywność staje się bardziej wyraźny.

Ryciny 3(a), 3(b) i 3© przedstawiają odpowiednio przesunięcia Ramana trybu LOPC zmierzone w różnych pozycjach (A, B, C, D) na płytkach nr 1, nr 23 i nr 44 , odzwierciedlając zmiany stężenia nośnika.

Wafel nr 1: Przesunięcie Ramana zmniejsza się stopniowo od środka (punkt A) do krawędzi (punkt C), wskazując na zmniejszenie stężenia domieszki azotu od środka do krawędzi. Nie obserwuje się znaczącej zmiany przesunięcia Ramana w punkcie D (obszar fasety).

Płytki nr 23 i nr 44: Przesunięcie Ramana jest wyższe w obszarach fasetowych (punkt D), co wskazuje na wyższe stężenie domieszki azotu, co jest zgodne z pomiarami niskiej rezystywności.

Rysunek 4(a) przedstawia zmianę stężenia nośnika i promieniowego gradientu temperatury w różnych promieniowych pozycjach płytek. Wskazuje to, że stężenie nośnika maleje od środka do krawędzi, natomiast gradient temperatury jest większy we wczesnej fazie wzrostu, a następnie maleje.

Rysunek 4(b) ilustruje zmianę różnicy w stężeniu nośnika pomiędzy środkiem fasetki a środkiem płytki wraz z gradientem temperatury (ΔT). We wczesnej fazie wzrostu (wafel nr 1) stężenie nośnika jest wyższe w środku płytki niż w środku fasety. W miarę wzrostu kryształu stężenie domieszki azotu w obszarach fasetek stopniowo przewyższa stężenie w środku, przy zmianie Δn z ujemnej na dodatnią, co wskazuje na rosnącą dominację mechanizmu wzrostu fasetek.

Rysunek 5 przedstawia zmianę oporności w środku płytki i środku fasety w czasie. W miarę wzrostu kryształu oporność w środku płytki wzrasta z 15,5 mΩ·cm do 23,7 mΩ·cm, podczas gdy oporność w środku fasety początkowo wzrasta do 22,1 mΩ·cm, a następnie spada do 19,5 mΩ·cm. Spadek rezystywności w obszarach fasetowych koreluje ze zmianami frakcji objętościowej azotu, co wskazuje na ujemną korelację między stężeniem domieszki azotu a rezystywnością.

Wnioski

Kluczowe wnioski z badania są takie, że promieniowy gradient termiczny i wzrost ścianek kryształu znacząco wpływają na rozkład rezystywności w kryształach 4H-SiC:

We wczesnym etapie wzrostu kryształów promieniowy gradient termiczny determinuje rozkład stężenia nośnika, z mniejszą opornością w środku kryształu i wyższą na krawędziach.

W miarę wzrostu kryształu stężenie domieszkowania azotu wzrasta w obszarach faset, obniżając oporność, przy czym różnica w oporności między obszarami fasetowymi a centrum kryształu staje się coraz bardziej widoczna.

Zidentyfikowano krytyczny gradient temperatury, oznaczający przejście kontroli rozkładu rezystywności od promieniowego gradientu termicznego do mechanizmu wzrostu ścianki.**

Oryginalne źródło: Xie, X., Kong, Y., Xu, L., Yang, D. i Pi, X. (2024). Rozkład oporności elektrycznej kryształu 4H-SiC typu n. Dziennik wzrostu kryształów. https://doi.org/10.1016/j.jcrysgro.2024.127892