Studiul privind distribuția rezistivității electrice în cristale 4H-SiC de tip n

4H-SiC, ca material semiconductor de a treia generație, este renumit pentru banda interzisă largă, conductivitate termică ridicată și stabilitate chimică și termică excelentă, făcându-l foarte valoros în aplicații de mare putere și de înaltă frecvență. Cu toate acestea, factorul cheie care afectează performanța acestor dispozitive constă în distribuția rezistivității electrice în cadrul cristalului 4H-SiC, în special în cristalele de dimensiuni mari, unde rezistivitatea uniformă este o problemă presantă în timpul creșterii cristalului. Dopajul cu azot este utilizat pentru a ajusta rezistivitatea 4H-SiC de tip n, dar datorită gradientului termic radial complex și a modelelor de creștere a cristalelor, distribuția rezistivității devine adesea neuniformă.

Cum a fost efectuat experimentul?

Experimentul a folosit metoda de transport fizic al vaporilor (PVT) pentru a crește cristale 4H-SiC de tip n cu un diametru de 150 mm. Prin ajustarea raportului de amestec de gaze de azot și argon, concentrația de dopaj cu azot a fost controlată. Etapele experimentale specifice au inclus:

Menținerea temperaturii de creștere a cristalului între 2100°C și 2300°C și a presiunii de creștere la 2 mbar.

Ajustarea fracției volumetrice de azot gazos de la 9% inițial la 6% și apoi înapoi până la 9% în timpul experimentului.

Tăierea cristalului crescut în plachete de aproximativ 0,45 mm grosime pentru măsurarea rezistivității și analiza spectroscopiei Raman.

Utilizarea software-ului COMSOL pentru a simula câmpul termic în timpul creșterii cristalelor pentru a înțelege mai bine distribuția rezistivității.

Ce a implicat cercetarea?

Acest studiu a implicat creșterea cristalelor 4H-SiC de tip n cu un diametru de 150 mm folosind metoda PVT și măsurarea și analiza distribuției rezistivității în diferite stadii de creștere. Rezultatele au arătat că rezistivitatea cristalului este influențată de gradientul termic radial și de mecanismul de creștere a cristalului, prezentând caracteristici diferite în diferite stadii de creștere.

Ce se întâmplă în stadiul incipient al creșterii cristalelor?

În faza inițială a creșterii cristalelor, gradientul termic radial afectează cel mai semnificativ distribuția rezistivității. Rezistivitatea este mai mică în regiunea centrală a cristalului și crește treptat spre margini, datorită unui gradient termic mai mare care determină o scădere a concentrației de dopaj cu azot din centru spre periferie. Dopajul cu azot din această etapă este influențat în primul rând de gradientul de temperatură, distribuția concentrației de purtători prezentând caracteristici clare în funcție de variațiile de temperatură. Măsurătorile prin spectroscopie Raman au confirmat că concentrația purtătorului este mai mare la centru și mai mică la margini, corespunzând cu rezultatele distribuției rezistivității.

Ce schimbări au loc în stadiul de mijloc al creșterii cristalelor?

Pe măsură ce creșterea cristalelor progresează, fațetele de creștere se extind, iar gradientul termic radial scade. În această etapă, deși gradientul termic radial încă afectează distribuția rezistivității, influența mecanismului de creștere în spirală asupra fațetelor cristalului devine evidentă. Rezistivitatea este semnificativ mai mică în regiunile cu fațete în comparație cu regiunile fără fațete. Analiza spectroscopiei Raman a plachetei 23 a arătat că concentrația de purtător este semnificativ mai mare în regiunile fațete, ceea ce indică faptul că mecanismul de creștere în spirală promovează dopajul crescut cu azot, rezultând o rezistivitate mai mică în aceste regiuni.

Care sunt caracteristicile etapei târzii de creștere a cristalelor?

În etapele ulterioare ale creșterii cristalelor, mecanismul de creștere în spirală pe fațete devine dominant, reducând și mai mult rezistivitatea în regiunile fațetelor și crescând diferența de rezistivitate cu centrul cristalului. Analiza distribuției rezistivității plachetei 44 a dezvăluit că rezistivitatea în regiunile fațete este semnificativ mai scăzută, corespunzând unui dopaj cu azot mai mare în aceste zone. Rezultatele au indicat că, odată cu creșterea grosimii cristalului, influența mecanismului de creștere în spirală asupra concentrației purtătorilor o depășește pe cea a gradientului termic radial. Concentrația de dopaj cu azot este relativ uniformă în regiunile non-fațete, dar semnificativ mai mare în regiunile fațete, ceea ce indică faptul că mecanismul de dopaj în regiunile fațete guvernează concentrația purtătorului și distribuția rezistivității în stadiul târziu de creștere.

Cum sunt legate gradientul de temperatură și dopajul cu azot?

Rezultatele experimentului au arătat, de asemenea, o corelație pozitivă clară între concentrația de dopaj cu azot și gradientul de temperatură. În stadiul incipient, concentrația de dopaj cu azot este mai mare în centru și mai mică în regiunile fațete. Pe măsură ce cristalul crește, concentrația de dopaj cu azot în regiunile fațete crește treptat, depășind în cele din urmă pe cea din centru, ceea ce duce la diferențe de rezistivitate. Acest fenomen poate fi optimizat prin controlul fracției volumetrice de azot gazos. Analiza de simulare numerică a arătat că reducerea gradientului termic radial duce la o concentrație de dopaj cu azot mai uniformă, evidentă mai ales în etapele ulterioare de creștere. Experimentul a identificat un gradient critic de temperatură (ΔT) sub care distribuția rezistivității tinde să devină uniformă.

Care este mecanismul de dopaj cu azot?

Concentrația de dopaj de azot este influențată nu numai de temperatură și gradientul termic radial, ci și de raportul C/Si, fracția volumetrică a azotului gazos și rata de creștere. În regiunile fără fațete, dopajul cu azot este controlat în principal de temperatură și raportul C/Si, în timp ce în regiunile cu fațete, fracția volumetrică de azot gazos joacă un rol mai crucial. Studiul a arătat că prin ajustarea fracției volumetrice de gaz de azot în regiunile fațete, rezistivitatea poate fi redusă în mod eficient, realizând o concentrație mai mare de purtător.

Figura 1(a) ilustrează pozițiile plachetelor selectate, reprezentând diferite stadii de creștere ale cristalului. Napolitana nr.1 reprezintă stadiul incipient, nr.23 stadiul de mijloc și nr.44 stadiul târziu. Analizând aceste plachete, cercetătorii pot compara modificările distribuției rezistivității în diferite stadii de creștere.

Figurile 1(b), 1© și, respectiv, 1(d) arată hărțile de distribuție a rezistivității ale plachetelor nr. 1, nr. 23 și nr. 44, unde intensitatea culorii indică niveluri de rezistivitate, regiunile mai întunecate reprezentând pozițiile fațetelor cu mai mici. rezistivitate.

Wafer No.1: Fațetele de creștere sunt mici și situate la marginea plachetei, cu rezistivitate generală ridicată care crește de la centru la margine.

Wafer No.23: Fațetele s-au extins și sunt mai aproape de centrul plachetei, cu rezistivitate semnificativ mai mică în regiunile cu fațete și rezistivitate mai mare în regiunile fără fațete.

Wafer No.44: Fațetele continuă să se extindă și să se deplaseze spre centrul plachetei, cu rezistivitate în regiunile fațetelor semnificativ mai scăzute decât în ​​alte zone.

Figura 2(a) arată variația lățimii fațetelor de creștere de-a lungul direcției diametrului cristalului (direcția [1120]) în timp. Fațetele se extind de la regiuni mai înguste în stadiul incipient de creștere la zone mai largi în etapa ulterioară.

Figurile 2(b), 2© și 2(d) prezintă distribuția rezistivității de-a lungul direcției diametrului pentru plachetele Nr.1, Nr.23 și, respectiv, Nr.44.

Wafer No.1: Influența fațetelor de creștere este minimă, rezistivitatea crescând treptat de la centru la margine.

Wafer No.23: Fațetele scad semnificativ rezistivitatea, în timp ce regiunile fără fațete mențin niveluri mai ridicate de rezistivitate.

Placa nr.44: Regiunile cu fațete au o rezistivitate semnificativ mai mică decât restul plachetei, efectul fațetei asupra rezistivității devenind mai pronunțat.

Figurile 3(a), 3(b) și, respectiv, 3© prezintă deplasările Raman ale modului LOPC măsurate în diferite poziții (A, B, C, D) pe plachetele nr.1, nr.23 și nr.44. , reflectând modificări ale concentrației purtătorilor.

Wafer No.1: Deplasarea Raman scade treptat de la centru (Punctul A) la margine (Punctul C), indicând o reducere a concentrației de dopaj cu azot de la centru la margine. Nu se observă nicio schimbare semnificativă a deplasării Raman la Punctul D (regiunea fațetă).

Napolitane nr.23 și nr.44: deplasarea Raman este mai mare în regiunile fațete (punctul D), indicând o concentrație mai mare de dopaj cu azot, în concordanță cu măsurătorile de rezistivitate scăzută.

Figura 4(a) arată variația concentrației purtătorului și a gradientului de temperatură radială la diferite poziții radiale ale plachetelor. Indică faptul că concentrația purtătorului scade de la centru la margine, în timp ce gradientul de temperatură este mai mare în stadiul incipient de creștere și scade ulterior.

Figura 4(b) ilustrează modificarea diferenței de concentrație a purtătorului dintre centrul fațetei și centrul plachetei cu gradientul de temperatură (ΔT). În stadiul incipient de creștere (Wafer No.1), concentrația de purtător este mai mare la centrul wafer-ului decât la centrul fațetei. Pe măsură ce cristalul crește, concentrația de dopaj cu azot în regiunile fațete o depășește treptat pe cea din centru, cu Δn schimbându-se de la negativ la pozitiv, indicând dominanța în creștere a mecanismului de creștere a fațetelor.

Figura 5 arată modificarea rezistivității la centrul plachetei și la centrul fațetei în timp. Pe măsură ce cristalul crește, rezistivitatea la centrul plachetei crește de la 15,5 mΩ·cm la 23,7 mΩ·cm, în timp ce rezistivitatea la centrul fațetei crește inițial la 22,1 mΩ·cm și apoi scade la 19,5 mΩ·cm. Scăderea rezistivității în regiunile fațete se corelează cu modificările fracției volumetrice de azot gazos, indicând o corelație negativă între concentrația de dopaj cu azot și rezistivitate.

Concluzii

Concluziile cheie ale studiului sunt că gradientul termic radial și creșterea fațetelor de cristal au un impact semnificativ asupra distribuției rezistivității în cristalele 4H-SiC:

În stadiul incipient al creșterii cristalului, gradientul termic radial determină distribuția concentrației purtătorului, cu rezistivitate mai mică la centrul cristalului și mai mare la margini.

Pe măsură ce cristalul crește, concentrația de dopaj cu azot crește în regiunile fațetei, scăzând rezistivitatea, diferența de rezistivitate dintre regiunile fațetei și centrul cristalului devenind mai evidentă.

A fost identificat un gradient critic de temperatură, marcând tranziția controlului distribuției rezistivității de la gradientul termic radial la mecanismul de creștere a fațetelor.**

Sursa originală: Xie, X., Kong, Y., Xu, L., Yang, D. și Pi, X. (2024). Distribuția rezistivității electrice a unui cristal 4H-SiC de tip n. Journal of Crystal Growth. https://doi.org/10.1016/j.jcrysgro.2024.127892