Ang Pag-aaral sa Distribusyon ng Electrical Resistivity sa n-Type 4H-SiC Crystals

Ang 4H-SiC, bilang isang third-generation semiconductor material, ay kilala sa malawak nitong bandgap, mataas na thermal conductivity, at mahusay na chemical at thermal stability, na ginagawa itong lubos na mahalaga sa high-power at high-frequency na mga application. Gayunpaman, ang pangunahing kadahilanan na nakakaapekto sa pagganap ng mga aparatong ito ay nakasalalay sa pamamahagi ng elektrikal na resistivity sa loob ng 4H-SiC na kristal, lalo na sa malalaking laki ng mga kristal kung saan ang pare-parehong resistivity ay isang pagpindot na isyu sa panahon ng paglaki ng kristal. Ginagamit ang nitrogen doping upang ayusin ang resistivity ng n-type na 4H-SiC, ngunit dahil sa kumplikadong radial thermal gradient at mga pattern ng paglago ng kristal, ang pamamahagi ng resistivity ay kadalasang nagiging hindi pantay.

Paano Ginawa ang Eksperimento?

Ginamit ng eksperimento ang Physical Vapor Transport (PVT) na paraan upang palaguin ang n-type na 4H-SiC na mga kristal na may diameter na 150 mm. Sa pamamagitan ng pagsasaayos ng pinaghalong ratio ng nitrogen at argon gases, nakontrol ang konsentrasyon ng nitrogen doping. Kasama sa mga partikular na pang-eksperimentong hakbang ang:

Pagpapanatili ng temperatura ng paglago ng kristal sa pagitan ng 2100°C at 2300°C at ang presyon ng paglago sa 2 mbar.

Pagsasaayos ng volumetric fraction ng nitrogen gas mula sa isang paunang 9% pababa sa 6% at pagkatapos ay i-back up sa 9% sa panahon ng eksperimento.

Ang pagputol ng lumaki na kristal sa mga wafer na humigit-kumulang 0.45 mm ang kapal para sa pagsukat ng resistivity at pagsusuri ng Raman spectroscopy.

Paggamit ng COMSOL software upang gayahin ang thermal field sa panahon ng paglaki ng kristal upang mas maunawaan ang pamamahagi ng resistivity.

Ano ang Kasama sa Pananaliksik?

Ang pag-aaral na ito ay nagsasangkot ng paglaki ng mga n-type na 4H-SiC na kristal na may diameter na 150 mm gamit ang pamamaraan ng PVT at pagsukat at pagsusuri ng pamamahagi ng resistivity sa iba't ibang yugto ng paglaki. Ang mga resulta ay nagpakita na ang resistivity ng kristal ay naiimpluwensyahan ng radial thermal gradient at ang mekanismo ng paglago ng kristal, na nagpapakita ng iba't ibang mga katangian sa iba't ibang yugto ng paglago.

Ano ang Mangyayari Sa Maagang Yugto ng Paglago ng Kristal?

Sa paunang yugto ng paglaki ng kristal, ang radial thermal gradient ay pinaka makabuluhang nakakaapekto sa pamamahagi ng resistivity. Ang resistivity ay mas mababa sa gitnang rehiyon ng kristal at unti-unting tumataas patungo sa mga gilid, dahil sa isang mas malaking thermal gradient na nagdudulot ng pagbaba sa konsentrasyon ng nitrogen doping mula sa gitna hanggang sa labas. Ang nitrogen doping ng yugtong ito ay pangunahing naiimpluwensyahan ng gradient ng temperatura, na may pamamahagi ng konsentrasyon ng carrier na nagpapakita ng mga malinaw na katangian depende sa mga pagkakaiba-iba ng temperatura. Kinumpirma ng mga sukat ng spectroscopy ng Raman na ang konsentrasyon ng carrier ay mas mataas sa gitna at mas mababa sa mga gilid, na naaayon sa mga resulta ng pamamahagi ng resistivity.

Anong mga Pagbabago ang Nagaganap sa kalagitnaan ng Yugto ng Crystal Growth?

Habang umuunlad ang paglaki ng kristal, lumalawak ang mga facet ng paglago, at bumababa ang radial thermal gradient. Sa yugtong ito, kahit na ang radial thermal gradient ay nakakaapekto pa rin sa pamamahagi ng resistivity, ang impluwensya ng mekanismo ng paglago ng spiral sa mga facet ng kristal ay nagiging maliwanag. Ang resistivity ay kapansin-pansing mas mababa sa facet regions kumpara sa non-facet regions. Ang pagsusuri ng Raman spectroscopy ng wafer 23 ay nagpakita na ang konsentrasyon ng carrier ay makabuluhang mas mataas sa mga rehiyon ng facet, na nagpapahiwatig na ang mekanismo ng paglago ng spiral ay nagtataguyod ng pagtaas ng nitrogen doping, na nagreresulta sa mas mababang resistivity sa mga rehiyong ito.

Ano ang Mga Katangian ng Huling Yugto ng Paglago ng Kristal?

Sa mga huling yugto ng paglaki ng kristal, ang mekanismo ng paglaki ng spiral sa mga facet ay nagiging nangingibabaw, na higit na binabawasan ang resistivity sa mga rehiyon ng facet at pinatataas ang pagkakaiba ng resistivity sa sentro ng kristal. Ang pagsusuri sa pamamahagi ng resistivity ng wafer 44 ay nagsiwalat na ang resistivity sa mga rehiyon ng facet ay makabuluhang mas mababa, na tumutugma sa mas mataas na nitrogen doping sa mga lugar na ito. Ipinahiwatig ng mga resulta na sa pagtaas ng kapal ng kristal, ang impluwensya ng mekanismo ng paglago ng spiral sa konsentrasyon ng carrier ay lumalampas sa radial thermal gradient. Ang konsentrasyon ng nitrogen doping ay medyo pare-pareho sa mga non-facet na rehiyon ngunit mas mataas sa mga rehiyon ng facet, na nagpapahiwatig na ang mekanismo ng doping sa mga rehiyon ng facet ay namamahala sa konsentrasyon ng carrier at pamamahagi ng resistivity sa huling yugto ng paglago.

Paano Nauugnay ang Temperature Gradient at Nitrogen Doping?

Nagpakita rin ang mga resulta ng eksperimento ng malinaw na positibong ugnayan sa pagitan ng konsentrasyon ng nitrogen doping at gradient ng temperatura. Sa maagang yugto, ang konsentrasyon ng nitrogen doping ay mas mataas sa gitna at mas mababa sa mga rehiyon ng facet. Habang lumalaki ang kristal, ang konsentrasyon ng nitrogen doping sa mga rehiyon ng facet ay unti-unting tumataas, sa kalaunan ay lumalampas doon sa gitna, na humahantong sa mga pagkakaiba sa resistivity. Ang hindi pangkaraniwang bagay na ito ay maaaring ma-optimize sa pamamagitan ng pagkontrol sa nitrogen gas volumetric fraction. Ang pagtatasa ng numerical simulation ay nagsiwalat na ang pagbawas sa radial thermal gradient ay humahantong sa isang mas pare-parehong konsentrasyon ng nitrogen doping, lalo na maliwanag sa mga huling yugto ng paglago. Natukoy ng eksperimento ang isang kritikal na gradient ng temperatura (ΔT) sa ibaba kung saan ang pamamahagi ng resistivity ay may posibilidad na maging pare-pareho.

Ano ang Mekanismo ng Nitrogen Doping?

Ang konsentrasyon ng nitrogen doping ay naiimpluwensyahan hindi lamang ng temperatura at radial thermal gradient kundi pati na rin ng C/Si ratio, nitrogen gas volumetric fraction, at growth rate. Sa mga non-facet na rehiyon, ang nitrogen doping ay pangunahing kinokontrol ng temperatura at C/Si ratio, habang sa mga rehiyon ng facet, ang nitrogen gas volumetric fraction ay gumaganap ng isang mas mahalagang papel. Ipinakita ng pag-aaral na sa pamamagitan ng pagsasaayos ng nitrogen gas volumetric fraction sa mga rehiyon ng facet, ang resistivity ay maaaring epektibong mabawasan, na makamit ang mas mataas na konsentrasyon ng carrier.

Ang Figure 1(a) ay naglalarawan ng mga posisyon ng mga napiling wafer, na kumakatawan sa iba't ibang yugto ng paglago ng kristal. Ang Wafer No.1 ay kumakatawan sa maagang yugto, No.23 sa kalagitnaan ng yugto, at No.44 sa huling yugto. Sa pamamagitan ng pagsusuri sa mga wafer na ito, maihahambing ng mga mananaliksik ang mga pagbabago sa pamamahagi ng resistivity sa iba't ibang yugto ng paglago.

Ang mga figure 1(b), 1©, at 1(d) ayon sa pagkakabanggit ay nagpapakita ng mga mapa ng pamamahagi ng resistivity ng mga wafer No.1, No.23, at No.44, kung saan ang intensity ng kulay ay nagpapahiwatig ng mga antas ng resistivity, na may mas madidilim na rehiyon na kumakatawan sa mga posisyon ng facet na may mas mababang resistivity.

Wafer No.1: Ang mga growth facet ay maliit at matatagpuan sa gilid ng wafer, na may pangkalahatang mataas na resistivity na tumataas mula sa gitna hanggang sa gilid.

Wafer No.23: Ang mga facet ay lumawak at mas malapit sa wafer center, na may makabuluhang mas mababang resistivity sa mga rehiyon ng facet at mas mataas na resistivity sa mga non-facet na rehiyon.

Wafer No.44: Ang mga facet ay patuloy na lumalawak at lumilipat patungo sa wafer center, na may resistivity sa mga rehiyon ng facet na kapansin-pansing mas mababa kaysa sa ibang mga lugar.

Ipinapakita ng Figure 2(a) ang lapad na pagkakaiba-iba ng mga facet ng paglago sa direksyon ng diameter ng kristal ([1120] direksyon) sa paglipas ng panahon. Ang mga facet ay lumalawak mula sa mas makitid na mga rehiyon sa maagang yugto ng paglago hanggang sa mas malawak na mga lugar sa mas huling yugto.

Ang mga figure 2(b), 2©, at 2(d) ay nagpapakita ng resistivity distribution kasama ang diameter na direksyon para sa wafers No.1, No.23, at No.44, ayon sa pagkakabanggit.

Wafer No.1: Ang impluwensya ng mga facet ng paglago ay minimal, na may resistivity na unti-unting tumataas mula sa gitna hanggang sa gilid.

Wafer No.23: Ang mga facet ay makabuluhang nagpapababa ng resistivity, habang ang mga non-facet na rehiyon ay nagpapanatili ng mas mataas na antas ng resistivity.

Wafer No.44: Ang mga rehiyon ng facet ay may makabuluhang mas mababang resistivity kaysa sa natitirang bahagi ng wafer, na ang epekto ng facet sa resistivity ay nagiging mas malinaw.

Ang mga figure 3(a), 3(b), at 3© ayon sa pagkakabanggit ay nagpapakita ng Raman shifts ng LOPC mode na sinusukat sa iba't ibang posisyon (A, B, C, D) sa mga wafer No.1, No.23, at No.44 , na sumasalamin sa mga pagbabago sa konsentrasyon ng carrier.

Wafer No.1: Ang shift ng Raman ay unti-unting bumababa mula sa gitna (Point A) hanggang sa gilid (Point C), na nagpapahiwatig ng pagbawas sa konsentrasyon ng nitrogen doping mula sa gitna hanggang sa gilid. Walang makabuluhang pagbabago sa Raman shift na naobserbahan sa Point D (facet region).

Wafers No.23 at No.44: Ang Raman shift ay mas mataas sa facet regions (Point D), na nagpapahiwatig ng mas mataas na nitrogen doping concentration, na pare-pareho sa mababang resistivity measurements.

Ipinapakita ng Figure 4(a) ang pagkakaiba-iba sa konsentrasyon ng carrier at radial temperature gradient sa iba't ibang posisyon ng radial ng mga wafer. Ipinapahiwatig nito na ang konsentrasyon ng carrier ay bumababa mula sa gitna hanggang sa gilid, habang ang gradient ng temperatura ay mas malaki sa maagang yugto ng paglago at bumababa pagkatapos.

Ang Figure 4(b) ay naglalarawan ng pagbabago sa pagkakaiba sa konsentrasyon ng carrier sa pagitan ng facet center at wafer center na may temperature gradient (ΔT). Sa maagang yugto ng paglago (Wafer No.1), ang konsentrasyon ng carrier ay mas mataas sa wafer center kaysa sa facet center. Habang lumalaki ang kristal, ang konsentrasyon ng nitrogen doping sa mga rehiyon ng facet ay unti-unting lumalampas doon sa gitna, na may pagbabago ng Δn mula sa negatibo patungo sa positibo, na nagpapahiwatig ng lumalagong dominasyon ng mekanismo ng paglago ng facet.

Ipinapakita ng Figure 5 ang pagbabago sa resistivity sa wafer center at facet center sa paglipas ng panahon. Habang lumalaki ang kristal, ang resistivity sa wafer center ay tumataas mula 15.5 mΩ·cm hanggang 23.7 mΩ·cm, habang ang resistivity sa facet center ay tataas sa simula sa 22.1 mΩ·cm at pagkatapos ay bumababa sa 19.5 mΩ·cm. Ang pagbaba ng resistivity sa mga rehiyon ng facet ay nauugnay sa mga pagbabago sa nitrogen gas volumetric fraction, na nagpapahiwatig ng isang negatibong ugnayan sa pagitan ng nitrogen doping concentration at resistivity.

Mga konklusyon

Ang mga pangunahing konklusyon ng pag-aaral ay ang radial thermal gradient at crystal facet growth ay makabuluhang nakakaapekto sa pamamahagi ng resistivity sa 4H-SiC crystals:

Sa maagang yugto ng paglaki ng kristal, tinutukoy ng radial thermal gradient ang pamamahagi ng konsentrasyon ng carrier, na may mas mababang resistivity sa sentro ng kristal at mas mataas sa mga gilid.

Habang lumalaki ang kristal, tumataas ang konsentrasyon ng nitrogen doping sa mga rehiyon ng facet, nagpapababa ng resistivity, na nagiging mas maliwanag ang pagkakaiba ng resistivity sa pagitan ng mga rehiyon ng facet at sentro ng kristal.

Natukoy ang isang kritikal na gradient ng temperatura, na minarkahan ang paglipat ng kontrol ng pamamahagi ng resistivity mula sa radial thermal gradient patungo sa mekanismo ng paglaki ng facet.**

Orihinal na Pinagmulan: Xie, X., Kong, Y., Xu, L., Yang, D., & Pi, X. (2024). Pamamahagi ng electrical resistivity ng isang n-type na 4H-SiC na kristal. Journal ng Crystal Growth. https://doi.org/10.1016/j.jcrysgro.2024.127892