Elektrinės varžos pasiskirstymo n-tipo 4H-SiC kristaluose tyrimas

4H-SiC, kaip trečios kartos puslaidininkinė medžiaga, garsėja plačiu pralaidumu, dideliu šilumos laidumu ir puikiu cheminiu bei terminiu stabilumu, todėl yra labai vertinga didelės galios ir aukšto dažnio įrenginiuose. Tačiau pagrindinis veiksnys, turintis įtakos šių prietaisų veikimui, yra elektrinės varžos pasiskirstymas 4H-SiC kristaluose, ypač didelio dydžio kristaluose, kur vienoda varža yra neatidėliotina problema kristalų augimo metu. Azoto dopingas naudojamas n-tipo 4H-SiC varžai reguliuoti, tačiau dėl sudėtingo radialinio šiluminio gradiento ir kristalų augimo modelių varžos pasiskirstymas dažnai tampa netolygus.

Kaip buvo atliktas eksperimentas?

Eksperimente buvo naudojamas fizinio garų transportavimo (PVT) metodas, skirtas auginti 150 mm skersmens n-tipo 4H-SiC kristalus. Reguliuojant azoto ir argono dujų mišinio santykį, buvo kontroliuojama azoto dopingo koncentracija. Konkretūs eksperimentiniai žingsniai apėmė:

Kristalų augimo temperatūros palaikymas tarp 2100°C ir 2300°C, o augimo slėgis 2 mbar.

Adjusting the volumetric fraction of nitrogen gas from an initial 9% down to 6% and then back up to 9% during the experiment.

Išauginto kristalo supjaustymas į maždaug 0,45 mm storio plokšteles, kad būtų galima išmatuoti varžą ir Ramano spektroskopijos analizę.

COMSOL programinės įrangos naudojimas šiluminiam laukui imituoti kristalų augimo metu, kad geriau suprastumėte varžos pasiskirstymą.

Ką apėmė tyrimas?

Šiame tyrime buvo auginami 150 mm skersmens n-tipo 4H-SiC kristalai, naudojant PVT metodą, ir matuojamas bei analizuojamas varžos pasiskirstymas skirtingose ​​augimo stadijose. Rezultatai parodė, kad kristalo varžą įtakoja radialinis terminis gradientas ir kristalų augimo mechanizmas, pasižymintys skirtingomis charakteristikomis skirtinguose augimo etapuose.

What Happens During the Early Stage of Crystal Growth?

Pradinėje kristalų augimo fazėje radialinis terminis gradientas labiausiai veikia varžos pasiskirstymą. Atsparumas yra mažesnis centrinėje kristalo srityje ir palaipsniui didėja link kraštų dėl didesnio terminio gradiento, dėl kurio sumažėja azoto dopingo koncentracija nuo centro iki pakraščio. Šio etapo azoto dopingui daugiausia įtakos turi temperatūros gradientas, o nešiklio koncentracijos pasiskirstymas rodo aiškias charakteristikas, priklausančias nuo temperatūros pokyčių. Ramano spektroskopijos matavimai patvirtino, kad nešiklio koncentracija yra didesnė centre ir mažesnė pakraščiuose, atitinkanti varžos pasiskirstymo rezultatus.

Kokie pokyčiai vyksta vidurinėje kristalų augimo stadijoje?

Kristalui augant, augimo briaunos plečiasi, o radialinis terminis gradientas mažėja. Šiame etape, nors radialinis terminis gradientas vis dar veikia varžos pasiskirstymą, spiralinio augimo mechanizmo įtaka kristalų briaunoms tampa akivaizdi. Atsparumas yra žymiai mažesnis briaunų regionuose, palyginti su ne-fasetiniais regionais. 23 plokštelės Ramano spektroskopijos analizė parodė, kad nešiklio koncentracija yra žymiai didesnė briaunų srityse, o tai rodo, kad spiralinis augimo mechanizmas skatina padidėjusį azoto dopingą, todėl šiuose regionuose yra mažesnė varža.

Kokios yra vėlyvosios kristalų augimo stadijos ypatybės?

Vėlesniuose kristalų augimo etapuose spiralinis augimo mechanizmas briaunose tampa dominuojantis, dar labiau sumažindamas varžą briaunų srityse ir padidindamas varžos skirtumą su kristalo centru. Plokščių 44 varžos pasiskirstymo analizė parodė, kad varža briaunų srityse yra žymiai mažesnė, o tai atitinka didesnį azoto dopingą šiose srityse. Rezultatai parodė, kad didėjant kristalų storiui, spiralinio augimo mechanizmo įtaka nešiklio koncentracijai viršija radialinio terminio gradiento įtaką. Azoto dopingo koncentracija yra santykinai vienoda ne aspektų regionuose, bet žymiai didesnė briaunų regionuose, o tai rodo, kad dopingo mechanizmas briaunų regionuose reguliuoja nešiklio koncentraciją ir varžos pasiskirstymą vėlyvoje augimo stadijoje.

Kaip yra susijęs temperatūros gradientas ir azoto dopingas?

Eksperimento rezultatai taip pat parodė aiškią teigiamą koreliaciją tarp azoto dopingo koncentracijos ir temperatūros gradiento. Ankstyvoje stadijoje azoto dopingo koncentracija yra didesnė centre ir mažesnė briaunų srityse. Kristalui augant, azoto dopingo koncentracija briaunų srityse palaipsniui didėja, galiausiai viršydama koncentraciją centre, o tai lemia atsparumo skirtumus. Šį reiškinį galima optimizuoti kontroliuojant azoto dujų tūrinę dalį. Skaitmeninė modeliavimo analizė atskleidė, kad radialinio terminio gradiento sumažėjimas lemia tolygesnę azoto dopingo koncentraciją, ypač akivaizdžią vėlesniuose augimo etapuose. Eksperimentu buvo nustatytas kritinis temperatūros gradientas (ΔT), žemiau kurio varžos pasiskirstymas tampa vienodas.

Koks yra azoto dopingo mechanizmas?

Azoto dopingo koncentracijai įtakos turi ne tik temperatūra ir radialinis terminis gradientas, bet ir C/Si santykis, azoto dujų tūrinė dalis ir augimo greitis. Regionuose, kuriuose nėra briaunų, azoto dopingas daugiausia kontroliuojamas temperatūra ir C / Si santykiu, o briaunų regionuose azoto dujų tūrinė frakcija vaidina svarbesnį vaidmenį. Tyrimas parodė, kad koreguojant azoto dujų tūrinę frakciją briaunų srityse, varža gali būti veiksmingai sumažinta ir pasiekiama didesnė nešiklio koncentracija.

1(a) paveikslėlyje pavaizduotos pasirinktų plokštelių padėtis, atspindinčios skirtingus kristalo augimo etapus. Vaflė Nr.1 ​​reprezentuoja ankstyvąją stadiją, Nr.23 – vidurinę, o Nr.44 – vėlyvąją stadiją. Analizuodami šias plokšteles, mokslininkai gali palyginti varžos pasiskirstymo pokyčius skirtinguose augimo etapuose.

1 (b), 1 © ir 1 (d) paveikslai rodo vaflių Nr. 1, Nr.23 ir Nr.44 varžos pasiskirstymo žemėlapius, kur spalvų intensyvumas rodo varžos lygį, o tamsesnės sritys atspindi briaunų padėtį žemesnėje padėtyje, kurių apatinės padėties yra mažesnės. Atsparumas.

Plokštelė Nr.1: augimo briaunos yra mažos ir išsidėsčiusios plokštelės krašte, o bendra savitoji varža didėja nuo centro iki krašto.

Wafer No.23: The facets have expanded and are closer to the wafer center, with significantly lower resistivity in the facet regions and higher resistivity in the non-facet regions.

Plokštelė Nr.44: briaunos toliau plečiasi ir juda link plokštelės centro, o varža briaunų srityse yra žymiai mažesnė nei kitose srityse.

2(a) paveiksle parodytas augimo briaunų pločio kitimas pagal kristalo skersmens kryptį ([1120] kryptis) laikui bėgant. Aspektai plečiasi iš siauresnių regionų ankstyvoje augimo stadijoje į platesnes sritis vėlesniame etape.

2(b), 2© ir 2(d) paveiksluose parodytas varžos pasiskirstymas skersmens kryptimi atitinkamai plokštelėms Nr.1, Nr.23 ir Nr.44.

Wafer No.1: The influence of the growth facets is minimal, with resistivity gradually increasing from center to edge.

Plokštelė Nr.23: briaunos žymiai sumažina varžą, o ne briaunų sritys palaiko aukštesnius varžos lygius.

Plokštelė Nr.44: briaunų sritys turi žymiai mažesnę varžą nei likusios plokštelės, o briaunų poveikis varžai tampa ryškesnis.

3 (a), 3 (b) ir 3 paveikslai atitinkamai parodo LOPC režimo Ramano poslinkius, išmatuotus skirtingose ​​vietose (A, B, C, D) ant vaflių Nr. 1, Nr. 23 ir Nr.44 , atspindi nešiklio koncentracijos pokyčius.

Plokštelė Nr.1: Ramano poslinkis palaipsniui mažėja nuo centro (taškas A) iki krašto (taškas C), o tai rodo azoto dopingo koncentracijos sumažėjimą nuo centro iki krašto. Reikšmingo Ramano poslinkio pokyčio D taške (fasetinėje srityje) nepastebėta.

Plokštės Nr.23 ir Nr.44: Ramano poslinkis yra didesnis briaunų srityse (taškas D), o tai rodo didesnę azoto dopingo koncentraciją, atitinkančią mažos varžos matavimus.

4(a) paveiksle parodytas nešiklio koncentracijos ir radialinio temperatūros gradiento kitimas skirtingose ​​plokštelių radialinėse padėtyse. Tai rodo, kad nešiklio koncentracija mažėja nuo centro iki krašto, o temperatūros gradientas yra didesnis ankstyvoje augimo stadijoje ir vėliau mažėja.

4(b) paveiksle parodytas nešiklio koncentracijos skirtumo tarp briaunų centro ir plokštelės centro su temperatūros gradientu (ΔT) pokytis. Ankstyvoje augimo stadijoje (Vaflė Nr.1) nešiklio koncentracija plokštelės centre yra didesnė nei briaunų centre. Kristalui augant, azoto dopingo koncentracija briaunų srityse pamažu viršija koncentraciją centre, o Δn keičiasi iš neigiamo į teigiamą, o tai rodo didėjantį briaunų augimo mechanizmo dominavimą.

5 paveiksle parodytas varžos pokytis plokštelės centre ir briaunų centre laikui bėgant. Kristalui augant, varža plokštelės centre padidėja nuo 15,5 mΩ·cm iki 23,7 mΩ·cm, o varža briaunų centre iš pradžių padidėja iki 22,1 mΩ·cm, o vėliau sumažėja iki 19,5 mΩ·cm. Atsparumo sumažėjimas briaunų regionuose koreliuoja su azoto dujų tūrinės frakcijos pokyčiais, o tai rodo neigiamą koreliaciją tarp azoto dopingo koncentracijos ir varžos.

Išvados

The key conclusions of the study are that the radial thermal gradient and crystal facet growth significantly impact the resistivity distribution in 4H-SiC crystals:

Ankstyvoje kristalų augimo stadijoje radialinis terminis gradientas lemia nešiklio koncentracijos pasiskirstymą, kurio varža yra mažesnė kristalo centre ir didesnė kraštuose.

Kristalui augant, azoto dopingo koncentracija briaunų srityse didėja, mažėja varža, o varžos skirtumas tarp briaunų sričių ir kristalo centro tampa akivaizdesnis.

A critical temperature gradient was identified, marking the transition of resistivity distribution control from the radial thermal gradient to the facet growth mechanism.**

Originalus šaltinis: Xie, X., Kong, Y., Xu, L., Yang, D. ir Pi, X. (2024). N tipo 4H-SiC kristalo elektrinės varžos pasiskirstymas. Crystal Growth žurnalas. https://doi.org/10.1016/j.jcrysgro.2024.127892