Студија за дистрибуција на електрична отпорност во n-тип 4H-SiC кристали

4H-SiC, како полупроводнички материјал од третата генерација, е познат по својот широк опсег, високата топлинска спроводливост и одличната хемиска и топлинска стабилност, што го прави многу вреден при апликации со висока моќност и висока фреквенција. Сепак, клучниот фактор што влијае на перформансите на овие уреди лежи во дистрибуцијата на електричната отпорност во кристалот 4H-SiC, особено кај кристалите со големи димензии каде што униформната отпорност е неопходен проблем за време на растот на кристалите. Азотниот допинг се користи за прилагодување на отпорноста на n-тип 4H-SiC, но поради сложениот радијален термички градиент и моделите на раст на кристалите, распределбата на отпорноста често станува нерамна.

Како беше спроведен експериментот?

Експериментот го искористи методот за транспорт на физичка пареа (PVT) за да расте кристали од n-тип 4H-SiC со дијаметар од 150 mm. Со прилагодување на односот на мешавината на азот и аргон гасови, беше контролирана концентрацијата на допинг на азот. Специфичните експериментални чекори вклучуваа:

Одржување на температурата на раст на кристалите помеѓу 2100°C и 2300°C и притисокот на раст на 2 mbar.

Прилагодување на волуметриската фракција на азотниот гас од почетните 9% на 6%, а потоа назад до 9% за време на експериментот.

Сечење на израснатиот кристал во обланди со дебелина од приближно 0,45 mm за мерење на отпорност и анализа со Раман спектроскопија.

Користење на софтверот COMSOL за симулирање на топлинското поле за време на растот на кристалите за подобро разбирање на дистрибуцијата на отпорност.

Што вклучувало истражувањето?

Оваа студија вклучува одгледување n-тип на кристали 4H-SiC со дијаметар од 150 mm со помош на методот PVT и мерење и анализа на дистрибуцијата на отпорност во различни фази на раст. Резултатите покажаа дека отпорноста на кристалот е под влијание на радијалниот термички градиент и механизмот на раст на кристалот, покажувајќи различни карактеристики во различни фази на раст.

Што се случува во раната фаза на растот на кристалите?

Во почетната фаза на растот на кристалите, радијалниот термички градиент најзначајно влијае на распределбата на отпорноста. Отпорноста е помала во централниот регион на кристалот и постепено се зголемува кон рабовите, поради поголемиот термички градиент што предизвикува намалување на концентрацијата на допинг на азот од центарот до периферијата. Азотниот допинг во оваа фаза е примарно под влијание на температурниот градиент, при што дистрибуцијата на концентрацијата на носачот покажува јасни карактеристики во зависност од температурните варијации. Мерењата со Раман спектроскопија потврдија дека концентрацијата на носачот е поголема во центарот и помала на рабовите, што одговара на резултатите од дистрибуцијата на отпорност.

Какви промени се случуваат во средната фаза на растот на кристалите?

Како што напредува растот на кристалите, аспектите на раст се шират, а радијалниот термички градиент се намалува. Во текот на оваа фаза, иако радијалниот термички градиент сè уште влијае на распределбата на отпорноста, влијанието на механизмот за раст на спиралата на кристалните аспекти станува очигледно. Отпорноста е значително помала во областите на аспект во споредба со регионите без аспект. Спектроскопската анализа на Раман на нафора 23 покажа дека концентрацијата на носачот е значително повисока во областите на аспект, што покажува дека механизмот за растење на спиралата промовира зголемен азотен допинг, што резултира со помала отпорност во овие региони.

Кои се карактеристиките на доцната фаза на растот на кристалите?

Во подоцнежните фази на растот на кристалите, спиралниот механизам за раст на фасетите станува доминантен, дополнително намалувајќи ја отпорноста во областите на фасетите и зголемувајќи ја разликата во отпорноста со кристалниот центар. Анализата на дистрибуцијата на отпорност на нафора 44 откри дека отпорноста во областите на аспектот е значително помала, што одговара на повисок азотен допинг во овие области. Резултатите покажаа дека со зголемување на дебелината на кристалите, влијанието на механизмот за раст на спиралата врз концентрацијата на носачот го надминува она на радијалниот термички градиент. Концентрацијата на допинг на азот е релативно униформа во регионите без аспекти, но значително повисока во областите на аспект, што покажува дека механизмот за допинг во областите на аспект управува со концентрацијата на носачот и дистрибуцијата на отпорност во доцната фаза на раст.

Како се поврзани температурниот градиент и азотниот допинг?

Резултатите од експериментот, исто така, покажаа јасна позитивна корелација помеѓу концентрацијата на допинг на азот и температурниот градиент. Во раната фаза, концентрацијата на допинг на азот е повисока во центарот и помала во областите на аспектот. Како што расте кристалот, концентрацијата на допинг на азот во областите на аспектот постепено се зголемува, на крајот надминувајќи ја онаа во центарот, што доведува до разлики во отпорноста. Овој феномен може да се оптимизира со контролирање на волуметриската фракција на азотниот гас. Нумеричката симулациска анализа откри дека намалувањето на радијалниот термички градиент доведува до порамномерна концентрација на допинг на азот, особено евидентна во подоцнежните фази на раст. Експериментот идентификуваше критичен температурен градиент (ΔT) под кој дистрибуцијата на отпорност има тенденција да стане униформа.

Кој е механизмот на азотен допинг?

Концентрацијата на допинг на азот е под влијание не само од температурата и радијалниот термички градиент, туку и од односот C/Si, волуметриската фракција на азотниот гас и стапката на раст. Во регионите без аспекти, азотниот допинг главно се контролира со температура и сооднос C/Si, додека во областите на аспект, волуметриската фракција на азотниот гас игра поклучна улога. Студијата покажа дека со прилагодување на волуметриската фракција на азотниот гас во областите на аспект, отпорноста може ефективно да се намали, постигнувајќи повисока концентрација на носител.

Слика 1(а) ги прикажува позициите на избраните наполитанки, кои претставуваат различни фази на раст на кристалот. Нафора бр.1 ја претставува раната фаза, бр.23 средната фаза, а бр.44 доцната фаза. Со анализа на овие обланди, истражувачите можат да ги споредат промените во дистрибуцијата на отпорноста во различни фази на раст.

Сликата 1(б), 1© и 1(г) соодветно ги прикажуваат картите на дистрибуција на отпорност на наполитанки бр.1, бр.23 и бр.44, каде што интензитетот на бојата покажува нивоа на отпорност, при што потемните области ги претставуваат позициите на фасетите со пониски отпорност.

Нафора бр.1: аспектите на раст се мали и се наоѓаат на работ на обландата, со вкупна висока отпорност што се зголемува од центарот до работ.

Нафора бр.23: Фасетите се проширија и се поблиску до центарот на обландата, со значително помала отпорност во областите на фасетите и поголема отпорност во регионите без аспекти.

Нафора бр.44: Фасетите продолжуваат да се шират и да се движат кон центарот на обландата, со отпорност во областите на фасетите значително помала отколку во другите области.

Слика 2(а) ја покажува варијацијата на ширината на аспектите на раст долж насоката на дијаметарот на кристалот (правецот [1120]) со текот на времето. Фактите се прошируваат од потесни региони во раната фаза на раст до пошироки области во подоцнежната фаза.

Сликата 2(б), 2© и 2(г) ја прикажува распределбата на отпорноста долж насоката на дијаметарот за наполитанки бр.1, бр.23 и бр.44, соодветно.

Нафора бр.1: Влијанието на аспектите на растот е минимално, при што отпорноста постепено се зголемува од центар до раб.

Нафора бр.23: аспектите значително ја намалуваат отпорноста, додека областите без аспекти одржуваат повисоки нивоа на отпорност.

Нафора бр.44: Регионите на фасетите имаат значително помала отпорност од останатиот дел од обландата, при што ефектот на аспект врз отпорноста станува поизразен.

На сликите 3(а), 3(б) и 3© соодветно се прикажани Рамановите поместувања на режимот LOPC измерени на различни позиции (A, B, C, D) на наполитанки бр.1, бр.23 и бр.44 , одразувајќи ги промените во концентрацијата на носачот.

Нафора бр.1: Раманското поместување постепено се намалува од центарот (точка А) до работ (точка C), што укажува на намалување на концентрацијата на допинг на азот од центар до раб. Не е забележана значајна промена на Раманското поместување во точката D (регионот на фасетите).

Наполитанки бр.23 и бр.44: Раманското поместување е поголемо во областите на аспектот (точка D), што укажува на повисока концентрација на допинг на азот, во согласност со мерењата на ниската отпорност.

Слика 4(а) ја покажува варијацијата во концентрацијата на носачот и радијалниот температурен градиент на различни радијални позиции на наполитанките. Тоа покажува дека концентрацијата на носачот се намалува од центар до раб, додека температурниот градиент е поголем во раната фаза на раст и последователно се намалува.

Слика 4(б) ја илустрира промената во разликата во концентрацијата на носачот помеѓу центарот на фасетот и центарот на обландата со температурниот градиент (ΔT). Во раната фаза на раст (нафора бр.1), концентрацијата на носачот е поголема во центарот на обландата отколку во центарот на фасетот. Како што расте кристалот, концентрацијата на допинг на азот во областите на аспектот постепено ја надминува онаа во центарот, при што Δn се менува од негативен во позитивен, што укажува на растечката доминација на механизмот за раст на аспектот.

Слика 5 ја прикажува промената на отпорноста во центарот на обландата и центарот на фасетите со текот на времето. Како што расте кристалот, отпорноста во центарот на обландата се зголемува од 15,5 mΩ·cm на 23,7 mΩ·cm, додека отпорноста во центарот на фасетот првично се зголемува на 22,1 mΩ·cm, а потоа се намалува на 19,5 mΩ·cm. Намалувањето на отпорноста во областите на аспект е во корелација со промените во волуметриската фракција на азотниот гас, што укажува на негативна корелација помеѓу концентрацијата на допинг на азот и отпорноста.

Заклучоци

Клучните заклучоци од студијата се дека радијалниот термички градиент и растот на кристалниот аспект значително влијаат на дистрибуцијата на отпорност во кристалите 4H-SiC:

Во раната фаза на растот на кристалите, радијалниот термички градиент ја одредува дистрибуцијата на концентрацијата на носачот, со помала отпорност во центарот на кристалот и повисока на рабовите.

Како што расте кристалот, концентрацијата на допинг на азот се зголемува во областите на аспект, намалувајќи ја отпорноста, при што разликата во отпорноста помеѓу областите на фасетите и кристалниот центар станува поочигледна.

Идентификуван е критичен температурен градиент, што го означува преминот на контролата на дистрибуцијата на отпорноста од радијалниот термички градиент до механизмот за раст на аспектот.**

Оригинален извор: Xie, X., Kong, Y., Xu, L., Yang, D., & Pi, X. (2024). Распределба на електричната отпорност на n-тип 4H-SiC кристал. Весник на кристален раст. https://doi.org/10.1016/j.jcrysgro.2024.127892