Tanulmány az elektromos ellenállás eloszlásáról n-típusú 4H-SiC kristályokban

A 4H-SiC, mint harmadik generációs félvezető anyag, széles sávszélességéről, magas hővezető képességéről, valamint kiváló kémiai és termikus stabilitásáról híres, így rendkívül értékes a nagy teljesítményű és nagyfrekvenciás alkalmazásokban. Azonban ezeknek az eszközöknek a teljesítményét befolyásoló kulcstényező az elektromos ellenállás eloszlásában rejlik a 4H-SiC kristályon belül, különösen a nagy méretű kristályokban, ahol az egyenletes ellenállás sürgető kérdés a kristálynövekedés során. A nitrogénadalékolást az n-típusú 4H-SiC ellenállásának beállítására használják, de a komplex radiális termikus gradiens és a kristálynövekedési minták miatt az ellenállás-eloszlás gyakran egyenetlenné válik.

Hogyan zajlott a kísérlet?

A kísérletben a Physical Vapor Transport (PVT) módszert alkalmazták 150 mm átmérőjű n-típusú 4H-SiC kristályok növesztésére. A nitrogén és argon gázok keverékarányának beállításával a nitrogén adalék koncentrációját szabályoztuk. A konkrét kísérleti lépések a következők voltak:

A kristálynövekedési hőmérsékletet 2100°C és 2300°C között, a növekedési nyomást pedig 2 mbar értéken kell tartani.

A nitrogéngáz térfogati hányadának beállítása a kezdeti 9%-ról 6%-ra, majd visszaállítása 9%-ra a kísérlet során.

A kinőtt kristályt körülbelül 0,45 mm vastag ostyákra vágjuk ellenállásméréshez és Raman spektroszkópiás analízishez.

COMSOL szoftver használata a hőmező szimulálására a kristálynövekedés során, hogy jobban megértsük az ellenállás-eloszlást.

Mit tartalmazott a kutatás?

Ebben a vizsgálatban 150 mm átmérőjű, n-típusú 4H-SiC kristályokat termesztettek PVT módszerrel, valamint különböző növekedési szakaszokban mérték és elemezték az ellenállás-eloszlást. Az eredmények azt mutatták, hogy a kristály fajlagos ellenállását a radiális termikus gradiens és a kristálynövekedési mechanizmus befolyásolja, a különböző növekedési szakaszokban eltérő tulajdonságokat mutatva.

Mi történik a kristálynövekedés korai szakaszában?

A kristálynövekedés kezdeti fázisában a radiális termikus gradiens befolyásolja legjelentősebben az ellenállás-eloszlást. A fajlagos ellenállás a kristály középső tartományában alacsonyabb, és a szélek felé fokozatosan növekszik, a nagyobb termikus gradiens miatt, amely a nitrogén adalékkoncentrációjának csökkenését okozza a középponttól a szélek felé. Ebben a szakaszban a nitrogénadalékolást elsősorban a hőmérsékleti gradiens befolyásolja, a vivőanyag koncentráció-eloszlása ​​egyértelmű jellemzőket mutat a hőmérséklet-ingadozásoktól függően. A Raman-spektroszkópiás mérések megerősítették, hogy a hordozókoncentráció a középpontban magasabb, a széleken alacsonyabb, ami megfelel a fajlagos ellenállás-eloszlási eredményeknek.

Milyen változások következnek be a kristálynövekedés középső szakaszában?

A kristálynövekedés előrehaladtával a növekedési oldalak kitágulnak, és a radiális termikus gradiens csökken. Ebben a szakaszban, bár a sugárirányú termikus gradiens még mindig befolyásolja az ellenállás-eloszlást, nyilvánvalóvá válik a spirális növekedési mechanizmus hatása a kristályfelületekre. A fajlagos fajlagos tartományokban az ellenállás lényegesen kisebb, mint a nem facet régiókban. A 23-as ostya Raman-spektroszkópiai elemzése azt mutatta, hogy a hordozókoncentráció szignifikánsan magasabb a facet régiókban, ami azt jelzi, hogy a spirális növekedési mechanizmus elősegíti a megnövekedett nitrogénadalékolást, ami alacsonyabb ellenállást eredményez ezekben a régiókban.

Melyek a kristálynövekedés késői szakaszának jellemzői?

A kristálynövekedés későbbi szakaszaiban a spirális növekedési mechanizmus a fazettákon válik dominánssá, tovább csökkentve az ellenállást a fazetta régiókban, és növelve az ellenállás-különbséget a kristálycentrumhoz képest. A 44-es ostya fajlagos ellenállás-eloszlásának elemzése azt mutatta, hogy a fajlagos régiókban a fajlagos ellenállás lényegesen alacsonyabb, ami magasabb nitrogénadalékolásnak felel meg ezeken a területeken. Az eredmények azt mutatták, hogy a kristályvastagság növekedésével a spirális növekedési mechanizmus hatása a hordozókoncentrációra meghaladja a radiális termikus gradiensét. A nitrogén adalékkoncentrációja viszonylag egyenletes a nem-facet régiókban, de szignifikánsan magasabb a facet régiókban, ami azt jelzi, hogy a facet régiókban az adalékolási mechanizmus szabályozza a hordozókoncentrációt és az ellenállás-eloszlást a késői növekedési szakaszban.

Hogyan függ össze a hőmérsékleti gradiens és a nitrogéndopping?

A kísérleti eredmények egyértelmű pozitív korrelációt is mutattak a nitrogén adalék koncentrációja és a hőmérsékleti gradiens között. A korai stádiumban a nitrogén adalékkoncentrációja magasabb a központban és alacsonyabb a facet régiókban. Ahogy a kristály növekszik, a nitrogén adalék koncentrációja a fazettás régiókban fokozatosan növekszik, végül meghaladva a középsőt, ami ellenállási különbségekhez vezet. Ez a jelenség a nitrogéngáz térfogati hányadának szabályozásával optimalizálható. A numerikus szimulációs analízis kimutatta, hogy a radiális termikus gradiens csökkenése egyenletesebb nitrogénadalékkoncentrációt eredményez, különösen a későbbi növekedési szakaszokban. A kísérlet azonosított egy kritikus hőmérsékleti gradienst (ΔT), amely alatt az ellenállás-eloszlás egyenletessé válik.

Mi a nitrogéndopping mechanizmusa?

A nitrogénadagolás koncentrációját nemcsak a hőmérséklet és a radiális termikus gradiens befolyásolja, hanem a C/Si arány, a nitrogéngáz térfogati hányada és a növekedési sebesség is. A nem facet régiókban a nitrogén adalékolást főként a hőmérséklet és a C/Si arány szabályozza, míg a facet régiókban a nitrogéngáz térfogati hányada játszik fontosabb szerepet. A vizsgálat kimutatta, hogy a nitrogéngáz térfogati hányadának beállításával a fazettás régiókban az ellenállás hatékonyan csökkenthető, és magasabb hordozókoncentráció érhető el.

Az 1(a) ábra a kiválasztott ostyák helyzetét mutatja, amelyek a kristály különböző növekedési szakaszait ábrázolják. Az 1-es ostya a korai szakaszt, a 23-as a középső szakaszt, a 44-es pedig a késői szakaszt képviseli. Ezen ostyák elemzésével a kutatók összehasonlíthatják az ellenállás-eloszlás változásait a különböző növekedési szakaszokban.

Az 1(b), 1© és 1(d) ábrák rendre az 1., 23. és 44. számú lapok fajlagos ellenállás-eloszlási térképét mutatják, ahol a színintenzitás az ellenállási szinteket jelzi, a sötétebb régiók pedig az alacsonyabb fazettapozíciókat. ellenállás.

1. ostya: A növekedési lapok kicsik és az ostya szélén helyezkednek el, általánosan magas ellenállással, amely a közepétől a széle felé növekszik.

23-as ostya: A lapkák kitágultak, és közelebb vannak az ostya középpontjához, lényegesen kisebb ellenállással a fazetta régiókban és nagyobb ellenállással a nem lapka régiókban.

44-es ostya: A fazetták tovább tágulnak, és az ostyaközép felé haladnak, a fazetta régióiban az ellenállás jelentősen alacsonyabb, mint más területeken.

A 2(a) ábra a növekedési oldalak szélességi változását mutatja a kristályátmérő iránya ([1120] iránya) mentén az idő függvényében. A dimenziók a korai növekedési szakaszban lévő szűkebb régiókról a későbbi szakaszban szélesebb területekre terjednek ki.

A 2(b), 2© és 2(d) ábra az 1., 23. és 44. számú lapok ellenállás-eloszlását mutatja az átmérő iránya mentén.

1. ostya: A növekedési oldalak hatása minimális, az ellenállás fokozatosan növekszik a középponttól a szélig.

23-as ostya: A fazetták jelentősen csökkentik az ellenállást, míg a nem lapos területek magasabb ellenállási szintet tartanak fenn.

44-es ostya: A lapkarészek fajlagos ellenállása lényegesen kisebb, mint az ostya többi részének, és a fajlagos ellenállásra gyakorolt ​​hatás egyre kifejezettebb.

A 3(a), 3(b) és 3© ábra a LOPC üzemmód Raman-eltolásait mutatja különböző pozíciókban (A, B, C, D) az 1., 23. és 44. számú lapkákon. , ami a hordozókoncentráció változásait tükrözi.

1. lapka: A Raman-eltolódás fokozatosan csökken a középponttól (A pont) a szélig (C pont), jelezve a nitrogén adalékkoncentráció csökkenését a középponttól a szélig. Nem figyelhető meg szignifikáns Raman-eltolódás változás a D pontban (a facet régióban).

23-as és 44-es ostya: A Raman-eltolódás magasabb a fazettás régiókban (D pont), ami magasabb nitrogén adalékkoncentrációt jelez, összhangban az alacsony ellenállási mérésekkel.

A 4(a) ábra a hordozókoncentráció és a sugárirányú hőmérsékleti gradiens változását mutatja a lapkák különböző sugárirányú helyzeteiben. Azt jelzi, hogy a hordozó koncentrációja a középponttól a szélig csökken, miközben a hőmérsékleti gradiens nagyobb a korai növekedési szakaszban, majd csökken.

A 4(b) ábra szemlélteti a hordozókoncentráció különbségét a fazettaközéppont és az ostyaközéppont között a hőmérsékleti gradiens (ΔT) hatására. A korai növekedési stádiumban (1. ostya) a hordozó koncentrációja magasabb az ostya központjában, mint a facet centerben. Ahogy a kristály növekszik, a nitrogén adalékkoncentrációja a facet régiókban fokozatosan meghaladja a központban lévőt, a Δn negatívról pozitívra változik, ami jelzi a facet növekedési mechanizmus növekvő dominanciáját.

Az 5. ábra az ellenállás változását mutatja az ostya középpontjában és a fazetta középpontjában az idő függvényében. Ahogy a kristály növekszik, az ostya középpontjának ellenállása 15,5 mΩ·cm-ről 23,7 mΩ·cm-re növekszik, míg a fazetta középpontjában az ellenállás kezdetben 22,1 mΩ·cm-re, majd 19,5 mΩ·cm-re csökken. Az ellenállás csökkenése a facet régiókban korrelál a nitrogéngáz térfogati hányadának változásával, ami negatív korrelációt jelez a nitrogén adalékolás koncentrációja és az ellenállás között.

Következtetések

A tanulmány legfontosabb következtetései az, hogy a radiális termikus gradiens és a kristályfelület növekedése jelentősen befolyásolja a 4H-SiC kristályok ellenállás-eloszlását:

A kristálynövekedés korai szakaszában a radiális termikus gradiens határozza meg a hordozókoncentráció eloszlását, a kristály középpontjában kisebb, a széleken nagyobb ellenállással.

Ahogy a kristály növekszik, a nitrogén adalékkoncentrációja nő a fazettás régiókban, csökkentve az ellenállást, és egyre nyilvánvalóbbá válik a fazetta régiók és a kristályközép közötti ellenálláskülönbség.

Egy kritikus hőmérsékleti gradienst azonosítottunk, amely az ellenállás-eloszlás szabályozásának átmenetét jelzi a radiális termikus gradiensről a fazetta növekedési mechanizmusra.**

Eredeti forrás: Xie, X., Kong, Y., Xu, L., Yang, D., & Pi, X. (2024). Egy n-típusú 4H-SiC kristály elektromos ellenállásának megoszlása. Journal of Crystal Growth. https://doi.org/10.1016/j.jcrysgro.2024.127892