Tutkimus sähköisen vastuksen jakautumisesta n-tyypin 4H-SiC-kiteissä

4H-SiC, kolmannen sukupolven puolijohdemateriaalina, tunnetaan laajasta kaistavälistään, korkeasta lämmönjohtavuudestaan ​​ja erinomaisesta kemiallisesta ja lämpöstabiilisuudestaan, mikä tekee siitä erittäin arvokkaan suuritehoisissa ja korkeataajuisissa sovelluksissa. Avaintekijä, joka vaikuttaa näiden laitteiden suorituskykyyn, on kuitenkin sähköisen resistiivisyyden jakautuminen 4H-SiC-kiteessä, erityisesti suurikokoisissa kiteissä, joissa tasainen resistiivisyys on kiireellinen ongelma kiteen kasvun aikana. Typpiseostusta käytetään säätämään n-tyypin 4H-SiC:n ominaisvastusta, mutta monimutkaisen säteittäisen lämpögradientin ja kiteiden kasvukuvioiden vuoksi ominaisvastus jakautuu usein epätasaiseksi.

Miten koe suoritettiin?

Kokeessa käytettiin Physical Vapor Transport (PVT) -menetelmää n-tyypin 4H-SiC-kiteiden kasvattamiseen, joiden halkaisija oli 150 mm. Typpi- ja argonkaasujen seossuhdetta säätämällä säädettiin typen seostuspitoisuutta. Erityiset kokeelliset vaiheet sisälsivät:

Kiteen kasvulämpötilan pitäminen välillä 2100 °C - 2300 °C ja kasvupaine 2 mbar:ssa.

Typpikaasun tilavuusosuuden säätäminen alkuperäisestä 9 %:sta 6 %:iin ja sitten takaisin 9 %:iin kokeen aikana.

Kasvatun kiteen leikkaaminen noin 0,45 mm paksuiksi kiekoiksi ominaisvastusmittausta ja Raman-spektroskopia-analyysiä varten.

COMSOL-ohjelmiston käyttäminen lämpökentän simuloimiseen kiteen kasvun aikana, jotta voit ymmärtää paremmin resistiivisyyden jakautumisen.

Mitä tutkimukseen sisältyi?

Tässä tutkimuksessa kasvatettiin halkaisijaltaan 150 mm:n n-tyypin 4H-SiC-kiteitä PVT-menetelmällä sekä resistiivisyysjakauman mittaaminen ja analysointi eri kasvuvaiheissa. Tulokset osoittivat, että säteittäinen lämpögradientti ja kiteen kasvumekanismi vaikuttavat kiteen resistiivisyyteen, ja niillä on erilaisia ​​ominaisuuksia eri kasvuvaiheissa.

Mitä tapahtuu kristallikasvun alkuvaiheessa?

Kiteen kasvun alkuvaiheessa radiaalinen lämpögradientti vaikuttaa eniten ominaisvastusjakaumaan. Resistiivisyys on pienempi kiteen keskialueella ja kasvaa vähitellen reunoja kohti, mikä johtuu suuremmasta lämpögradientista, joka aiheuttaa typen seostuspitoisuuden laskun keskeltä reunaan. Tämän vaiheen typen seostukseen vaikuttaa ensisijaisesti lämpötilagradientti, ja kantoainepitoisuuden jakauma osoittaa selkeät ominaisuudet lämpötilan vaihteluista riippuen. Raman-spektroskopiamittaukset vahvistivat, että kantoainepitoisuus on suurempi keskellä ja pienempi reunoilla, mikä vastaa ominaisvastusjakauman tuloksia.

Mitä muutoksia tapahtuu kristallikasvun keskivaiheessa?

Kiteen kasvun edetessä kasvupinnat laajenevat ja radiaalinen lämpögradientti pienenee. Tässä vaiheessa, vaikka säteittäinen lämpögradientti edelleen vaikuttaa ominaisvastusjakaumaan, spiraalikasvumekanismin vaikutus kiteen puoliin tulee ilmeiseksi. Resistiivisyys on huomattavasti pienempi fasettialueilla kuin ei-fasettialueilla. Kiekon 23 Raman-spektroskopia-analyysi osoitti, että kantoainepitoisuus on merkittävästi korkeampi fasettialueilla, mikä osoittaa, että spiraalikasvumekanismi edistää lisääntynyttä typen seostusta, mikä johtaa alhaisempaan resistiivisyyteen näillä alueilla.

Mitkä ovat kristallikasvun myöhäisen vaiheen ominaisuudet?

Kiteen kasvun myöhemmissä vaiheissa spiraalikasvumekanismista tulee fasettien hallitseva, mikä edelleen vähentää resistiivisyyttä fasettialueilla ja lisää resistiivisyyden eroa kidekeskuksen kanssa. Kiekon 44 resistiivisyysjakauman analyysi paljasti, että resistiivisyys fasettialueilla on merkittävästi pienempi, mikä vastaa korkeampaa typen seostusta näillä alueilla. Tulokset osoittivat, että kiteen paksuuden kasvaessa spiraalikasvumekanismin vaikutus kantajakonsentraatioon ylittää säteittäisen lämpögradientin vaikutuksen. Typen seostuspitoisuus on suhteellisen tasainen ei-fasettialueilla, mutta huomattavasti korkeampi fasettialueilla, mikä osoittaa, että fasettialueiden seostusmekanismi säätelee kantajapitoisuutta ja resistiivisyyden jakautumista myöhäisessä kasvuvaiheessa.

Miten lämpötilagradientti ja typen doping liittyvät toisiinsa?

Koetulokset osoittivat myös selkeän positiivisen korrelaation typen seostuspitoisuuden ja lämpötilagradientin välillä. Alkuvaiheessa typen dopingpitoisuus on korkeampi keskellä ja pienempi fasettialueilla. Kun kide kasvaa, typen seostuspitoisuus fasettien alueilla kasvaa vähitellen, ylittäen lopulta keskellä olevan, mikä johtaa resistiivisyyseroihin. Tämä ilmiö voidaan optimoida säätämällä typpikaasun tilavuusosuutta. Numeerinen simulaatioanalyysi paljasti, että radiaalisen lämpögradientin pieneneminen johtaa tasaisempaan typen seostuspitoisuuteen, mikä näkyy erityisesti myöhemmissä kasvuvaiheissa. Kokeessa tunnistettiin kriittinen lämpötilagradientti (ΔT), jonka alapuolella ominaisvastusjakauma pyrkii tasaantumaan.

Mikä on typen dopingin mekanismi?

Typen seostuspitoisuuteen ei vaikuta ainoastaan ​​lämpötila ja radiaalinen lämpögradientti, vaan myös C/Si-suhde, typpikaasun tilavuusosuus ja kasvunopeus. Muilla alueilla typen seostusta säätelee pääasiassa lämpötila ja C/Si-suhde, kun taas fasettialueilla typpikaasun tilavuusosuudella on ratkaisevampi rooli. Tutkimus osoitti, että säätämällä typpikaasun tilavuusosuutta fasettialueilla, resistiivisyyttä voidaan vähentää tehokkaasti, jolloin saadaan suurempi kantajapitoisuus.

Kuva 1(a) kuvaa valittujen kiekkojen paikat, jotka edustavat kiteen eri kasvuvaiheita. Kiekko nro 1 edustaa alkuvaihetta, nro 23 keskivaihetta ja nro 44 myöhäistä vaihetta. Analysoimalla näitä kiekkoja tutkijat voivat verrata ominaisvastusjakauman muutoksia eri kasvuvaiheissa.

Kuvat 1(b), 1© ja 1(d) esittävät kiekkojen nro 1, nro 23 ja nro 44 ominaisvastusjakaumakartat, joissa värin intensiteetti ilmaisee ominaisvastustasoja, kun taas tummemmat alueet edustavat fasetteja, joissa on pienempi. vastus.

Kiekko nro 1: Kasvupinnat ovat pieniä ja sijaitsevat kiekon reunassa, ja niiden kokonaisvastus kasvaa keskeltä reunaan.

Kiekko nro 23: Fasetit ovat laajentuneet ja ovat lähempänä kiekon keskustaa. Resistiivisyys on huomattavasti pienempi fasettialueilla ja suurempi resistiivisyys muilla alueilla.

Kiekko nro 44: Fasetit jatkavat laajenemistaan ​​ja siirtyvät kohti kiekon keskustaa, ja resistiivisyys fasettien alueilla on huomattavasti pienempi kuin muilla alueilla.

Kuvio 2(a) esittää kasvusivujen leveyden vaihtelua kiteen halkaisijan suunnassa ([1120]-suunta) ajan kuluessa. Fasetit laajenevat kapeammilta alueilta varhaisessa kasvuvaiheessa laajemmille alueille myöhemmässä vaiheessa.

Kuviot 2(b), 2© ja 2(d) esittävät resistiivisyyden jakauman halkaisijan suunnassa kiekkojen nro 1, nro 23 ja nro 44 osalta.

Kiekko nro 1: Kasvupuolien vaikutus on minimaalinen, ja vastus kasvaa vähitellen keskeltä reunaan.

Kiekko nro 23: Fasetit alentavat merkittävästi resistiivisyyttä, kun taas ei-fasettialueet ylläpitävät korkeampia resistiivisyystasoja.

Kiekko nro 44: Fasettialueilla on huomattavasti pienempi resistiivisyys kuin muulla kiekolla, ja fasetin vaikutus resistiivisyyteen tulee selvemmäksi.

Kuvat 3(a), 3(b) ja 3© esittävät LOPC-moodin Raman-siirtymiä eri kohdissa (A, B, C, D) mitattuna kiekoilla nro 1, nro 23 ja nro 44. heijastaen muutoksia kantoainepitoisuudessa.

Kiekko nro 1: Raman-siirtymä pienenee asteittain keskustasta (piste A) reunaan (piste C), mikä osoittaa typen seostuspitoisuuden vähenemistä keskustasta reunaan. Pisteessä D (fasettialue) ei havaita merkittävää Raman-siirtymän muutosta.

Kiekot nro 23 ja nro 44: Raman-siirtymä on suurempi fasettialueilla (piste D), mikä osoittaa korkeampaa typen seostuspitoisuutta, mikä on yhdenmukainen alhaisen resistiivisyyden mittausten kanssa.

Kuvio 4(a) esittää vaihtelua kantoainepitoisuudessa ja säteittäisessä lämpötilagradientissa kiekkojen eri säteittäisissä asennoissa. Se osoittaa, että kantajapitoisuus pienenee keskeltä reunaan, kun taas lämpötilagradientti on suurempi varhaisessa kasvuvaiheessa ja laskee myöhemmin.

Kuvio 4(b) havainnollistaa muutosta kantajakonsentraation erossa fasettikeskuksen ja kiekon keskipisteen välillä lämpötilagradientin (AT) kanssa. Varhaisessa kasvuvaiheessa (kiekko nro 1) kantoainepitoisuus on korkeampi kiekon keskustassa kuin fasettikeskuksessa. Kun kide kasvaa, typen seostuspitoisuus fasettien alueilla ylittää vähitellen keskellä olevan, Δn muuttuessa negatiivisesta positiiviseksi, mikä osoittaa fasetin kasvumekanismin kasvavan hallitsevan aseman.

Kuva 5 esittää resistiivisyyden muutosta kiekon keskellä ja fasettikeskuksessa ajan myötä. Kun kide kasvaa, resistiivisyys kiekon keskustassa kasvaa 15,5 mΩ·cm:stä 23,7 mΩ·cm:iin, kun taas resistanssi fasettikeskuksessa kasvaa aluksi arvoon 22,1 mΩ·cm ja laskee sitten arvoon 19,5 mΩ·cm. Resistiivisyyden lasku fasettialueilla korreloi typpikaasun tilavuusosuuden muutosten kanssa, mikä osoittaa negatiivista korrelaatiota typen seostuspitoisuuden ja ominaisvastuksen välillä.

Johtopäätökset

Tutkimuksen keskeiset johtopäätökset ovat, että säteittäinen lämpögradientti ja kidefasettien kasvu vaikuttavat merkittävästi 4H-SiC-kiteiden ominaisvastusjakaumaan:

Kiteen kasvun varhaisessa vaiheessa säteittäinen lämpögradientti määrittää kantajakonsentraatiojakauman, jonka resistiivisyys on pienempi kiteen keskustassa ja korkeampi reunoilla.

Kun kide kasvaa, typen seostuspitoisuus kasvaa fasettien alueilla, mikä alentaa resistiivisyyttä, jolloin resistiivisyyden ero fasettialueiden ja kidekeskuksen välillä tulee selvemmäksi.

Kriittinen lämpötilagradientti tunnistettiin, mikä merkitsi ominaisvastusjakauman ohjauksen siirtymistä säteittäisestä lämpögradientista fasetin kasvumekanismiin.**

Alkuperäinen lähde: Xie, X., Kong, Y., Xu, L., Yang, D., & Pi, X. (2024). N-tyypin 4H-SiC-kiteen sähköisen resistiivisyyden jakautuminen. Journal of Crystal Growth. https://doi.org/10.1016/j.jcrysgro.2024.127892