Студија о расподели електричне отпорности у кристалима н-типа 4Х-СиЦ

4Х-СиЦ, као полупроводнички материјал треће генерације, познат је по свом широком појасу, високој топлотној проводљивости и одличној хемијској и термичкој стабилности, што га чини веома вредним у апликацијама велике снаге и високе фреквенције. Међутим, кључни фактор који утиче на перформансе ових уређаја лежи у дистрибуцији електричне отпорности унутар 4Х-СиЦ кристала, посебно у кристалима великих димензија где је уједначена отпорност хитно питање током раста кристала. Допирање азотом се користи за подешавање отпорности н-типа 4Х-СиЦ, али због сложеног радијалног термичког градијента и образаца раста кристала, расподела отпора често постаје неуједначена.

Како је спроведен експеримент?

Експеримент је користио методу Пхисицал Вапор Транспорт (ПВТ) за узгој н-типа 4Х-СиЦ кристала пречника 150 мм. Подешавањем односа смеше гасова азота и аргона, контролисана је концентрација азотног допинга. Конкретни експериментални кораци су укључивали:

Одржавање температуре раста кристала између 2100°Ц и 2300°Ц и притиска раста на 2 мбар.

Подешавање запреминског удела гасног азота са почетних 9% на 6% и затим назад на 9% током експеримента.

Сечење израслог кристала на плочице дебљине приближно 0,45 мм за мерење отпорности и анализу Рамановом спектроскопијом.

Коришћење ЦОМСОЛ софтвера за симулацију топлотног поља током раста кристала да би се боље разумела расподела отпорности.

Шта је истраживање укључило?

Ова студија је укључивала узгој кристала н-типа 4Х-СиЦ пречника 150 мм ПВТ методом и мерење и анализу расподеле отпора у различитим фазама раста. Резултати су показали да на отпорност кристала утичу радијални топлотни градијент и механизам раста кристала, који показују различите карактеристике у различитим фазама раста.

Шта се дешава у раној фази раста кристала?

У почетној фази раста кристала, радијални топлотни градијент најзначајније утиче на расподелу отпора. Отпорност је нижа у централном делу кристала и постепено расте према ивицама, због већег топлотног градијента који узрокује смањење концентрације допинга азота од центра ка периферији. На допинг азота у овој фази првенствено утиче температурни градијент, при чему расподела концентрације носача показује јасне карактеристике у зависности од температурних варијација. Мерења Раманове спектроскопије су потврдила да је концентрација носача већа у центру и нижа на ивицама, што одговара резултатима расподеле отпорности.

Које промене се дешавају у средњој фази раста кристала?

Како раст кристала напредује, фасете раста се шире, а радијални топлотни градијент се смањује. Током ове фазе, иако радијални топлотни градијент још увек утиче на расподелу отпорности, утицај механизма раста спирале на фасете кристала постаје очигледан. Отпорност је значајно нижа у регионима фасета у поређењу са регионима без фасета. Анализа Раманове спектроскопије вафера 23 показала је да је концентрација носача значајно већа у регионима фасета, што указује да механизам раста спирале промовише повећано допирање азота, што резултира нижим отпором у овим регионима.

Које су карактеристике касне фазе раста кристала?

У каснијим фазама раста кристала, механизам спиралног раста на фасетама постаје доминантан, додатно смањујући отпорност у регионима фасета и повећавајући разлику отпора са центром кристала. Анализа дистрибуције отпора плочице 44 открила је да је отпорност у областима фасета знатно нижа, што одговара већем допингу азота у овим областима. Резултати су показали да са повећањем дебљине кристала, утицај механизма раста спирале на концентрацију носача превазилази утицај радијалног термичког градијента. Концентрација допинга азота је релативно уједначена у регионима без фасета, али значајно виша у регионима фасета, што указује да механизам допинга у регионима фасета управља концентрацијом носача и расподелом отпора у касној фази раста.

Како су температурни градијент и допинг азотом повезани?

Резултати експеримента су такође показали јасну позитивну корелацију између концентрације допинга азота и температурног градијента. У раној фази, концентрација допинга азота је већа у центру и нижа у регионима фасета. Како кристал расте, концентрација допинга азота у областима фасета постепено расте, на крају надмашујући ону у центру, што доводи до разлика у отпорности. Овај феномен се може оптимизовати контролисањем запреминске фракције гаса азота. Анализа нумеричке симулације је открила да смањење радијалног топлотног градијента доводи до уједначеније концентрације допинга азота, посебно очигледне у каснијим фазама раста. Експеримент је идентификовао критични температурни градијент (ΔТ) испод којег расподела отпора тежи да постане уједначена.

Који је механизам допинга азотом?

На концентрацију допинга азота утичу не само температура и радијални топлотни градијент, већ и однос Ц/Си, запреминска фракција гасовитог азота и брзина раста. У регионима без фасета, допинг азотом се углавном контролише температуром и односом Ц/Си, док у регионима фасета запреминска фракција гаса азота игра важнију улогу. Студија је показала да се подешавањем запреминске фракције гаса азота у областима фасета, отпорност може ефикасно смањити, постижући већу концентрацију носача.

Слика 1(а) приказује положаје одабраних плочица, које представљају различите фазе раста кристала. Вафер бр.1 представља рану фазу, бр.23 средњу, а бр.44 касну фазу. Анализом ових плочица, истраживачи могу упоредити промене расподеле отпора у различитим фазама раста.

Слике 1(б), 1© и 1(д) приказују мапе расподеле отпорности плочица бр.1, бр.23 и бр.44, где интензитет боје указује на нивое отпорности, са тамнијим деловима који представљају положаје фасета са нижим отпорност.

Вафер бр.1: Фасете раста су мале и налазе се на ивици плочице, са укупном великом отпорношћу која се повећава од центра ка ивици.

Вафер бр.23: Фасете су се прошириле и ближе су центру плочице, са значајно нижом отпорношћу у регионима фасета и већом отпорношћу у регионима без фасета.

Вафер бр.44: Фасете настављају да се шире и померају ка центру плочице, са отпором у регионима фасета знатно нижим него у другим областима.

Слика 2(а) приказује варијацију ширине фасета раста дуж правца пречника кристала (смер [1120]) током времена. Фасете се шире од ужих региона у раној фази раста до ширих области у каснијој фази.

Слике 2(б), 2© и 2(д) приказују расподелу отпорности дуж правца пречника за плочице бр.1, бр.23 и бр.44, респективно.

Вафер бр.1: Утицај фасета раста је минималан, са отпором који се постепено повећава од центра до ивице.

Вафер бр.23: Фасете значајно смањују отпорност, док региони без фасета одржавају виши ниво отпорности.

Вафер бр.44: Фасетни региони имају знатно нижи отпор од остатка плочице, при чему је ефекат фасета на отпорност све израженији.

На сликама 3(а), 3(б) и 3© приказане су Раманове помаке ЛОПЦ режима мерене на различитим позицијама (А, Б, Ц, Д) на плочицама бр.1, бр.23 и бр.44 , што одражава промене у концентрацији носача.

Вафер бр.1: Раманов помак се постепено смањује од центра (тачка А) до ивице (тачка Ц), што указује на смањење концентрације допинга азота од центра до ивице. У тачки Д (фасетна област) није примећена значајна промена Рамановог померања.

Области бр. 23 и бр. 44: Раманов помак је већи у регионима фасета (тачка Д), што указује на већу концентрацију допинга азота, у складу са мерењима ниске отпорности.

Слика 4(а) приказује варијацију у концентрацији носача и радијалног температурног градијента на различитим радијалним позицијама плочица. То указује да концентрација носача опада од центра до ивице, док је температурни градијент већи у раној фази раста и касније опада.

Слика 4(б) илуструје промену у разлици у концентрацији носача између центра фасете и центра плочице са температурним градијентом (ΔТ). У раној фази раста (вафер бр.1), концентрација носача је већа у центру плочице него у центру фасете. Како кристал расте, концентрација допинга азота у регионима фасета постепено превазилази ону у центру, при чему се Δн мења из негативног у позитиван, што указује на растућу доминацију механизма раста фасета.

Слика 5 приказује промену отпорности у центру плочице и центру фасете током времена. Како кристал расте, отпорност у центру плочице расте са 15,5 мΩ·цм на 23,7 мΩ·цм, док отпорност у центру фасете расте у почетку на 22,1 мΩ·цм, а затим се смањује на 19,5 мΩ·цм. Пад отпорности у областима фасета корелира са променама запреминске фракције гаса азота, што указује на негативну корелацију између концентрације допинга азота и отпорности.

Закључци

Кључни закључци студије су да радијални топлотни градијент и раст кристалних фасета значајно утичу на расподелу отпорности у 4Х-СиЦ кристалима:

У раној фази раста кристала, радијални топлотни градијент одређује дистрибуцију концентрације носача, са нижом отпорношћу у центру кристала и већом на ивицама.

Како кристал расте, концентрација допинга азота се повећава у регионима фасета, смањујући отпор, при чему разлика отпора између региона фасета и центра кристала постаје све очигледнија.

Идентификован је критични температурни градијент, који означава прелазак контроле расподеле отпорности са радијалног топлотног градијента на механизам раста фасета.**

Оригинални извор: Ксие, Кс., Конг, И., Ксу, Л., Ианг, Д., & Пи, Кс. (2024). Расподела електричне отпорности н-типа 4Х-СиЦ кристала. Јоурнал оф Цристал Гровтх. хттпс://дои.орг/10.1016/ј.јцрисгро.2024.127892