Η Μελέτη για την Κατανομή της ηλεκτρικής αντίστασης σε κρυστάλλους n-τύπου 4H-SiC

Το 4H-SiC, ως υλικό ημιαγωγών τρίτης γενιάς, είναι γνωστό για το ευρύ διάκενο ζώνης, την υψηλή θερμική αγωγιμότητα και την εξαιρετική χημική και θερμική σταθερότητα, καθιστώντας το εξαιρετικά πολύτιμο σε εφαρμογές υψηλής ισχύος και υψηλής συχνότητας. Ωστόσο, ο βασικός παράγοντας που επηρεάζει την απόδοση αυτών των συσκευών έγκειται στην κατανομή της ηλεκτρικής ειδικής αντίστασης εντός του κρυστάλλου 4H-SiC, ειδικά σε κρυστάλλους μεγάλου μεγέθους όπου η ομοιόμορφη ειδική αντίσταση είναι ένα πιεστικό ζήτημα κατά την ανάπτυξη των κρυστάλλων. Το ντόπινγκ αζώτου χρησιμοποιείται για τη ρύθμιση της ειδικής αντίστασης του n-τύπου 4H-SiC, αλλά λόγω της πολύπλοκης ακτινικής θερμικής κλίσης και των μοτίβων ανάπτυξης κρυστάλλων, η κατανομή της ειδικής αντίστασης συχνά γίνεται άνιση.

Πώς διεξήχθη το πείραμα;

Το πείραμα χρησιμοποίησε τη μέθοδο Physical Vapor Transport (PVT) για την ανάπτυξη κρυστάλλων n-τύπου 4H-SiC με διάμετρο 150 mm. Ρυθμίζοντας την αναλογία μίγματος αερίων αζώτου και αργού, ελεγχόταν η συγκέντρωση του ντόπινγκ αζώτου. Τα συγκεκριμένα πειραματικά βήματα περιελάμβαναν:

Διατήρηση της θερμοκρασίας ανάπτυξης κρυστάλλων μεταξύ 2100°C και 2300°C και της πίεσης ανάπτυξης στα 2 mbar.

Ρύθμιση του ογκομετρικού κλάσματος του αερίου αζώτου από το αρχικό 9% στο 6% και στη συνέχεια στο 9% κατά τη διάρκεια του πειράματος.

Κοπή του αναπτυσσόμενου κρυστάλλου σε γκοφρέτες πάχους περίπου 0,45 mm για μέτρηση ειδικής αντίστασης και ανάλυση φασματοσκοπίας Raman.

Χρησιμοποιώντας το λογισμικό COMSOL για την προσομοίωση του θερμικού πεδίου κατά την ανάπτυξη των κρυστάλλων για την καλύτερη κατανόηση της κατανομής της ειδικής αντίστασης.

Τι περιελάμβανε η έρευνα;

Αυτή η μελέτη περιελάμβανε ανάπτυξη κρυστάλλων 4H-SiC τύπου n με διάμετρο 150 mm χρησιμοποιώντας τη μέθοδο PVT και μέτρηση και ανάλυση της κατανομής ειδικής αντίστασης σε διαφορετικά στάδια ανάπτυξης. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι η ειδική αντίσταση του κρυστάλλου επηρεάζεται από την ακτινωτή θερμική κλίση και τον μηχανισμό ανάπτυξης κρυστάλλων, παρουσιάζοντας διαφορετικά χαρακτηριστικά σε διαφορετικά στάδια ανάπτυξης.

Τι συμβαίνει κατά το πρώιμο στάδιο της ανάπτυξης των κρυστάλλων;

Στην αρχική φάση της ανάπτυξης των κρυστάλλων, η ακτινωτή θερμική κλίση επηρεάζει σημαντικά την κατανομή της ειδικής αντίστασης. Η ειδική αντίσταση είναι χαμηλότερη στην κεντρική περιοχή του κρυστάλλου και σταδιακά αυξάνεται προς τα άκρα, λόγω μιας μεγαλύτερης θερμικής βαθμίδας που προκαλεί μείωση της συγκέντρωσης ντόπινγκ αζώτου από το κέντρο προς τις παρυφές. Το ντόπινγκ αζώτου αυτού του σταδίου επηρεάζεται κυρίως από τη βαθμίδα θερμοκρασίας, με την κατανομή της συγκέντρωσης του φορέα να δείχνει καθαρά χαρακτηριστικά ανάλογα με τις διακυμάνσεις της θερμοκρασίας. Οι μετρήσεις με φασματοσκοπία Raman επιβεβαίωσαν ότι η συγκέντρωση του φορέα είναι υψηλότερη στο κέντρο και χαμηλότερη στα άκρα, που αντιστοιχεί στα αποτελέσματα κατανομής ειδικής αντίστασης.

Ποιες αλλαγές συμβαίνουν στο μέσο στάδιο της ανάπτυξης των κρυστάλλων;

Καθώς η ανάπτυξη των κρυστάλλων προχωρά, οι όψεις ανάπτυξης επεκτείνονται και η ακτινωτή θερμική κλίση μειώνεται. Κατά τη διάρκεια αυτού του σταδίου, αν και η ακτινική θερμική κλίση εξακολουθεί να επηρεάζει την κατανομή της ειδικής αντίστασης, η επίδραση του μηχανισμού σπειροειδούς ανάπτυξης στις κρυσταλλικές πτυχές γίνεται εμφανής. Η ειδική αντίσταση είναι σημαντικά χαμηλότερη στις περιοχές όψεων σε σύγκριση με τις περιοχές χωρίς όψη. Η ανάλυση φασματοσκοπίας Raman του πλακιδίου 23 έδειξε ότι η συγκέντρωση του φορέα είναι σημαντικά υψηλότερη στις περιοχές όψεων, υποδεικνύοντας ότι ο μηχανισμός σπειροειδούς ανάπτυξης προάγει αυξημένο ντόπινγκ αζώτου, με αποτέλεσμα χαμηλότερη ειδική αντίσταση σε αυτές τις περιοχές.

Ποια είναι τα χαρακτηριστικά του όψιμου σταδίου της ανάπτυξης των κρυστάλλων;

Στα τελευταία στάδια της ανάπτυξης των κρυστάλλων, ο μηχανισμός σπειροειδούς ανάπτυξης στις όψεις γίνεται κυρίαρχος, μειώνοντας περαιτέρω την ειδική αντίσταση στις περιοχές των όψεων και αυξάνοντας τη διαφορά ειδικής αντίστασης με το κέντρο κρυστάλλου. Η ανάλυση της κατανομής ειδικής αντίστασης της γκοφρέτας 44 αποκάλυψε ότι η ειδική αντίσταση στις περιοχές όψεων είναι σημαντικά χαμηλότερη, που αντιστοιχεί σε υψηλότερο ντόπινγκ αζώτου σε αυτές τις περιοχές. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι με την αύξηση του πάχους των κρυστάλλων, η επίδραση του μηχανισμού σπειροειδούς ανάπτυξης στη συγκέντρωση του φορέα ξεπερνά αυτή της ακτινικής θερμικής βαθμίδας. Η συγκέντρωση ντόπινγκ αζώτου είναι σχετικά ομοιόμορφη στις περιοχές χωρίς όψη, αλλά σημαντικά υψηλότερη στις περιοχές όψεων, υποδεικνύοντας ότι ο μηχανισμός ντόπινγκ στις περιοχές όψεων διέπει τη συγκέντρωση του φορέα και την κατανομή της ειδικής αντίστασης στο όψιμο στάδιο ανάπτυξης.

Πώς σχετίζονται η διαβάθμιση θερμοκρασίας και το ντόπινγκ αζώτου;

Τα αποτελέσματα του πειράματος έδειξαν επίσης μια σαφή θετική συσχέτιση μεταξύ της συγκέντρωσης ντόπινγκ αζώτου και της βαθμίδας θερμοκρασίας. Στο πρώιμο στάδιο, η συγκέντρωση ντόπινγκ αζώτου είναι υψηλότερη στο κέντρο και χαμηλότερη στις περιοχές της όψης. Καθώς ο κρύσταλλος μεγαλώνει, η συγκέντρωση ντόπινγκ αζώτου στις περιοχές της όψης αυξάνεται σταδιακά, ξεπερνώντας τελικά αυτή στο κέντρο, οδηγώντας σε διαφορές στην ειδική αντίσταση. Αυτό το φαινόμενο μπορεί να βελτιστοποιηθεί ελέγχοντας το ογκομετρικό κλάσμα αερίου αζώτου. Η ανάλυση αριθμητικής προσομοίωσης αποκάλυψε ότι η μείωση της ακτινικής θερμικής διαβάθμισης οδηγεί σε μια πιο ομοιόμορφη συγκέντρωση ντόπινγκ αζώτου, ιδιαίτερα εμφανής στα μεταγενέστερα στάδια ανάπτυξης. Το πείραμα εντόπισε μια κρίσιμη κλίση θερμοκρασίας (ΔT) κάτω από την οποία η κατανομή της ειδικής αντίστασης τείνει να γίνει ομοιόμορφη.

Ποιος είναι ο μηχανισμός του ντόπινγκ αζώτου;

Η συγκέντρωση ντόπινγκ αζώτου επηρεάζεται όχι μόνο από τη θερμοκρασία και την ακτινωτή θερμική βαθμίδα αλλά και από την αναλογία C/Si, το ογκομετρικό κλάσμα αερίου αζώτου και τον ρυθμό ανάπτυξης. Σε περιοχές χωρίς όψη, το ντόπινγκ αζώτου ελέγχεται κυρίως από τη θερμοκρασία και την αναλογία C/Si, ενώ στις περιοχές όψεως, το ογκομετρικό κλάσμα του αερίου αζώτου παίζει πιο κρίσιμο ρόλο. Η μελέτη έδειξε ότι ρυθμίζοντας το ογκομετρικό κλάσμα του αερίου αζώτου στις περιοχές όψεων, η ειδική αντίσταση μπορεί να μειωθεί αποτελεσματικά, επιτυγχάνοντας υψηλότερη συγκέντρωση φορέα.

Το Σχήμα 1(α) απεικονίζει τις θέσεις των επιλεγμένων γκοφρετών, που αντιπροσωπεύουν διαφορετικά στάδια ανάπτυξης του κρυστάλλου. Το Wafer No.1 αντιπροσωπεύει το αρχικό στάδιο, το No.23 το μέσο στάδιο και το No.44 το τελευταίο στάδιο. Αναλύοντας αυτές τις γκοφρέτες, οι ερευνητές μπορούν να συγκρίνουν τις αλλαγές κατανομής ειδικής αντίστασης σε διαφορετικά στάδια ανάπτυξης.

Τα σχήματα 1(b), 1©, και 1(d) αντίστοιχα δείχνουν τους χάρτες κατανομής ειδικής αντίστασης των γκοφρετών Νο. 1, Νο. 23 και Νο. 44, όπου η ένταση χρώματος υποδεικνύει επίπεδα ειδικής αντίστασης, με τις πιο σκούρες περιοχές να αντιπροσωπεύουν θέσεις όψεων με χαμηλότερες αντίσταση.

Γκοφρέτα Νο. 1: Οι όψεις ανάπτυξης είναι μικρές και βρίσκονται στην άκρη της γκοφρέτας, με συνολική υψηλή ειδική αντίσταση που αυξάνεται από το κέντρο προς την άκρη.

Wafer No.23: Οι όψεις έχουν επεκταθεί και είναι πιο κοντά στο κέντρο της γκοφρέτας, με σημαντικά χαμηλότερη ειδική αντίσταση στις περιοχές όψεων και υψηλότερη ειδική αντίσταση στις μη όψεις περιοχές.

Γκοφρέτα Νο. 44: Οι όψεις συνεχίζουν να διαστέλλονται και να κινούνται προς το κέντρο της γκοφρέτας, με ειδική αντίσταση στις περιοχές όψεων σημαντικά χαμηλότερη από ό,τι σε άλλες περιοχές.

Το Σχήμα 2(α) δείχνει τη διακύμανση του πλάτους των όψεων ανάπτυξης κατά μήκος της κατεύθυνσης της διαμέτρου του κρυστάλλου (κατεύθυνση [1120]) με την πάροδο του χρόνου. Οι πτυχές επεκτείνονται από στενότερες περιοχές στο πρώιμο στάδιο ανάπτυξης σε ευρύτερες περιοχές στο μεταγενέστερο στάδιο.

Τα σχήματα 2(b), 2© και 2(d) εμφανίζουν την κατανομή ειδικής αντίστασης κατά μήκος της κατεύθυνσης της διαμέτρου για τα πλακίδια Νο. 1, Νο. 23 και Νο. 44, αντίστοιχα.

Γκοφρέτα Νο. 1: Η επίδραση των όψεων ανάπτυξης είναι ελάχιστη, με την ειδική αντίσταση να αυξάνεται σταδιακά από κέντρο σε άκρη.

Wafer No.23: Οι όψεις μειώνουν σημαντικά την ειδική αντίσταση, ενώ οι περιοχές χωρίς όψη διατηρούν υψηλότερα επίπεδα ειδικής αντίστασης.

Γκοφρέτα Νο. 44: Οι περιοχές όψεων έχουν σημαντικά χαμηλότερη ειδική αντίσταση από την υπόλοιπη γκοφρέτα, με την επίδραση της όψης στην ειδική αντίσταση να γίνεται πιο έντονη.

Τα σχήματα 3(a), 3(b) και 3© αντιστοίχως δείχνουν τις μετατοπίσεις Raman της λειτουργίας LOPC που μετρώνται σε διαφορετικές θέσεις (A, B, C, D) στις γκοφρέτες No.1, No.23 και No.44 , αντανακλώντας τις αλλαγές στη συγκέντρωση του φορέα.

Wafer No.1: Η μετατόπιση Raman μειώνεται σταδιακά από το κέντρο (Σημείο Α) προς την άκρη (Σημείο C), υποδεικνύοντας μείωση της συγκέντρωσης ντόπινγκ αζώτου από κέντρο σε άκρη. Δεν παρατηρείται σημαντική αλλαγή μετατόπισης Raman στο Σημείο D (περιοχή όψης).

Γκοφρέτες Νο. 23 και Νο. 44: Η μετατόπιση Raman είναι υψηλότερη στις περιοχές όψεων (Σημείο D), υποδηλώνοντας υψηλότερη συγκέντρωση ντόπινγκ αζώτου, σύμφωνα με τις μετρήσεις χαμηλής ειδικής αντίστασης.

Το Σχήμα 4(α) δείχνει τη διακύμανση στη συγκέντρωση του φορέα και την ακτινική κλίση θερμοκρασίας σε διαφορετικές ακτινικές θέσεις των πλακών. Υποδεικνύει ότι η συγκέντρωση του φορέα μειώνεται από κέντρο σε άκρη, ενώ η βαθμίδα θερμοκρασίας είναι μεγαλύτερη στο πρώιμο στάδιο ανάπτυξης και μειώνεται στη συνέχεια.

Το Σχήμα 4(β) απεικονίζει την αλλαγή στη διαφορά στη συγκέντρωση του φορέα μεταξύ του κέντρου όψεως και του κέντρου πλακιδίων με την κλίση θερμοκρασίας (ΔT). Στο πρώιμο στάδιο ανάπτυξης (Γκοφρέτα Νο. 1), η συγκέντρωση του φορέα είναι υψηλότερη στο κέντρο της γκοφρέτας παρά στο κέντρο της όψης. Καθώς ο κρύσταλλος μεγαλώνει, η συγκέντρωση ντόπινγκ αζώτου στις περιοχές της όψης ξεπερνά σταδιακά αυτή στο κέντρο, με το Δn να αλλάζει από αρνητικό σε θετικό, υποδηλώνοντας την αυξανόμενη κυριαρχία του μηχανισμού ανάπτυξης πτυχών.

Το Σχήμα 5 δείχνει τη μεταβολή της ειδικής αντίστασης στο κέντρο του πλακιδίου και στο κέντρο της όψης με την πάροδο του χρόνου. Καθώς ο κρύσταλλος μεγαλώνει, η ειδική αντίσταση στο κέντρο της γκοφρέτας αυξάνεται από 15,5 mΩ·cm σε 23,7 mΩ·cm, ενώ η ειδική αντίσταση στο κέντρο της όψης αυξάνεται αρχικά σε 22,1 mΩ·cm και στη συνέχεια μειώνεται στα 19,5 mΩ·cm. Η μείωση της ειδικής αντίστασης στις περιοχές της όψης συσχετίζεται με αλλαγές στο ογκομετρικό κλάσμα αερίου αζώτου, υποδεικνύοντας αρνητική συσχέτιση μεταξύ της συγκέντρωσης ντόπινγκ αζώτου και της ειδικής αντίστασης.

συμπεράσματα

Τα βασικά συμπεράσματα της μελέτης είναι ότι η ακτινική θερμική κλίση και η ανάπτυξη κρυσταλλικής όψης επηρεάζουν σημαντικά την κατανομή ειδικής αντίστασης στους κρυστάλλους 4H-SiC:

Στο πρώιμο στάδιο της ανάπτυξης των κρυστάλλων, η ακτινική θερμική κλίση καθορίζει την κατανομή της συγκέντρωσης του φορέα, με χαμηλότερη ειδική αντίσταση στο κέντρο των κρυστάλλων και υψηλότερη στα άκρα.

Καθώς ο κρύσταλλος μεγαλώνει, η συγκέντρωση ντόπινγκ αζώτου αυξάνεται στις περιοχές της όψης, μειώνοντας την ειδική αντίσταση, με τη διαφορά ειδικής αντίστασης μεταξύ των περιοχών όψεων και του κρυσταλλικού κέντρου να γίνεται πιο εμφανής.

Εντοπίστηκε μια κρίσιμη κλίση θερμοκρασίας, που σηματοδοτεί τη μετάβαση του ελέγχου κατανομής ειδικής αντίστασης από την ακτινωτή θερμική κλίση στον μηχανισμό ανάπτυξης πτυχών.**

Αρχική πηγή: Xie, X., Kong, Y., Xu, L., Yang, D., & Pi, X. (2024). Κατανομή της ηλεκτρικής ειδικής αντίστασης ενός κρυστάλλου 4H-SiC τύπου n. Journal of Crystal Growth. https://doi.org/10.1016/j.jcrysgro.2024.127892