Kajian tentang Taburan Kerintangan Elektrik dalam Hablur 4H-SiC Jenis-n

4H-SiC, sebagai bahan semikonduktor generasi ketiga, terkenal dengan jurang jalur lebarnya, kekonduksian haba yang tinggi, dan kestabilan kimia dan haba yang sangat baik, menjadikannya sangat berharga dalam aplikasi berkuasa tinggi dan frekuensi tinggi. Walau bagaimanapun, faktor utama yang mempengaruhi prestasi peranti ini terletak pada pengagihan kerintangan elektrik dalam kristal 4H-SiC, terutamanya dalam kristal bersaiz besar di mana kerintangan seragam adalah isu yang mendesak semasa pertumbuhan kristal. Doping nitrogen digunakan untuk melaraskan kerintangan bagi n-jenis 4H-SiC, tetapi disebabkan kecerunan terma jejari yang kompleks dan corak pertumbuhan kristal, taburan kerintangan sering menjadi tidak sekata.

Bagaimanakah Eksperimen Dijalankan?

Eksperimen menggunakan kaedah Pengangkutan Wap Fizikal (PVT) untuk mengembangkan kristal 4H-SiC jenis-n dengan diameter 150 mm. Dengan melaraskan nisbah campuran nitrogen dan gas argon, kepekatan doping nitrogen dikawal. Langkah eksperimen khusus termasuk:

Mengekalkan suhu pertumbuhan kristal antara 2100°C dan 2300°C dan tekanan pertumbuhan pada 2 mbar.

Melaraskan pecahan isipadu gas nitrogen daripada 9% awal kepada 6% dan kemudian sandarkan kepada 9% semasa percubaan.

Memotong kristal yang tumbuh menjadi wafer kira-kira 0.45 mm tebal untuk pengukuran kerintangan dan analisis spektroskopi Raman.

Menggunakan perisian COMSOL untuk mensimulasikan medan haba semasa pertumbuhan kristal untuk lebih memahami taburan kerintangan.

Apakah yang Dilibatkan Penyelidikan?

Kajian ini melibatkan pertumbuhan hablur 4H-SiC jenis-n dengan diameter 150 mm menggunakan kaedah PVT dan mengukur serta menganalisis taburan kerintangan pada peringkat pertumbuhan yang berbeza. Keputusan menunjukkan bahawa kerintangan kristal dipengaruhi oleh kecerunan terma jejarian dan mekanisme pertumbuhan kristal, menunjukkan ciri-ciri yang berbeza pada peringkat pertumbuhan yang berbeza.

Apa yang Berlaku Semasa Peringkat Awal Pertumbuhan Kristal?

Dalam fasa awal pertumbuhan kristal, kecerunan terma jejarian paling ketara mempengaruhi taburan kerintangan. Kerintangan lebih rendah di kawasan tengah kristal dan secara beransur-ansur meningkat ke arah tepi, disebabkan oleh kecerunan haba yang lebih besar menyebabkan penurunan kepekatan doping nitrogen dari pusat ke pinggir. Doping nitrogen peringkat ini dipengaruhi terutamanya oleh kecerunan suhu, dengan taburan kepekatan pembawa menunjukkan ciri yang jelas bergantung pada variasi suhu. Pengukuran spektroskopi Raman mengesahkan bahawa kepekatan pembawa lebih tinggi di tengah dan lebih rendah di tepi, sepadan dengan hasil taburan kerintangan.

Apakah Perubahan yang Berlaku pada Tahap Pertengahan Pertumbuhan Kristal?

Apabila pertumbuhan kristal berkembang, aspek pertumbuhan mengembang, dan kecerunan terma jejarian berkurangan. Semasa peringkat ini, walaupun kecerunan terma jejarian masih mempengaruhi taburan kerintangan, pengaruh mekanisme pertumbuhan lingkaran pada aspek kristal menjadi jelas. Kerintangan adalah lebih rendah di kawasan facet berbanding dengan kawasan bukan faset. Analisis spektroskopi Raman wafer 23 menunjukkan bahawa kepekatan pembawa adalah lebih tinggi dengan ketara di kawasan facet, menunjukkan bahawa mekanisme pertumbuhan lingkaran menggalakkan peningkatan doping nitrogen, menyebabkan kerintangan yang lebih rendah di kawasan ini.

Apakah Ciri-ciri Peringkat Akhir Pertumbuhan Kristal?

Pada peringkat akhir pertumbuhan kristal, mekanisme pertumbuhan lingkaran pada faset menjadi dominan, seterusnya mengurangkan kerintangan di kawasan facet dan meningkatkan perbezaan kerintangan dengan pusat kristal. Analisis taburan kerintangan wafer 44 mendedahkan bahawa kerintangan di kawasan facet adalah jauh lebih rendah, sepadan dengan doping nitrogen yang lebih tinggi di kawasan ini. Keputusan menunjukkan bahawa dengan peningkatan ketebalan kristal, pengaruh mekanisme pertumbuhan lingkaran pada kepekatan pembawa melebihi kecerunan terma jejarian. Kepekatan doping nitrogen secara relatifnya seragam di kawasan bukan faset tetapi jauh lebih tinggi di kawasan faset, menunjukkan bahawa mekanisme doping di kawasan facet mengawal kepekatan pembawa dan pengedaran kerintangan pada peringkat pertumbuhan lewat.

Bagaimanakah Kecerunan Suhu dan Doping Nitrogen Berkaitan?

Keputusan eksperimen juga menunjukkan korelasi positif yang jelas antara kepekatan doping nitrogen dan kecerunan suhu. Pada peringkat awal, kepekatan doping nitrogen lebih tinggi di tengah dan lebih rendah di kawasan facet. Apabila kristal tumbuh, kepekatan doping nitrogen di kawasan facet secara beransur-ansur meningkat, akhirnya melebihi itu di tengah, membawa kepada perbezaan kerintangan. Fenomena ini boleh dioptimumkan dengan mengawal pecahan isipadu gas nitrogen. Analisis simulasi berangka mendedahkan bahawa pengurangan dalam kecerunan terma jejarian membawa kepada kepekatan doping nitrogen yang lebih seragam, terutamanya jelas pada peringkat pertumbuhan kemudian. Eksperimen mengenal pasti kecerunan suhu kritikal (ΔT) di bawah yang mana taburan kerintangan cenderung menjadi seragam.

Apakah Mekanisme Doping Nitrogen?

Kepekatan doping nitrogen dipengaruhi bukan sahaja oleh suhu dan kecerunan terma jejari tetapi juga oleh nisbah C/Si, pecahan isipadu gas nitrogen, dan kadar pertumbuhan. Di kawasan bukan aspek, doping nitrogen terutamanya dikawal oleh suhu dan nisbah C/Si, manakala di kawasan facet, pecahan isipadu gas nitrogen memainkan peranan yang lebih penting. Kajian menunjukkan bahawa dengan melaraskan pecahan isipadu gas nitrogen di kawasan facet, kerintangan boleh dikurangkan dengan berkesan, mencapai kepekatan pembawa yang lebih tinggi.

Rajah 1(a) menggambarkan kedudukan wafer yang dipilih, mewakili peringkat pertumbuhan kristal yang berbeza. Wafer No.1 mewakili peringkat awal, No.23 peringkat pertengahan, dan No.44 peringkat akhir. Dengan menganalisis wafer ini, penyelidik boleh membandingkan perubahan taburan kerintangan pada peringkat pertumbuhan yang berbeza.

Rajah 1(b), 1©, dan 1(d) masing-masing menunjukkan peta taburan kerintangan wafer No.1, No.23, dan No.44, di mana keamatan warna menunjukkan tahap kerintangan, dengan kawasan yang lebih gelap mewakili kedudukan faset dengan lebih rendah. kerintangan.

Wafer No.1: Bahagian pertumbuhan adalah kecil dan terletak di tepi wafer, dengan kerintangan tinggi keseluruhan yang meningkat dari tengah ke tepi.

Wafer No.23: Faset telah mengembang dan lebih dekat dengan pusat wafer, dengan kerintangan yang jauh lebih rendah di kawasan facet dan kerintangan yang lebih tinggi di kawasan bukan faset.

Wafer No.44: Faset terus mengembang dan bergerak ke arah pusat wafer, dengan kerintangan di kawasan facet dengan ketara lebih rendah daripada di kawasan lain.

Rajah 2(a) menunjukkan variasi lebar aspek pertumbuhan sepanjang arah diameter hablur (arah [1120]) dari semasa ke semasa. Aspek berkembang dari kawasan yang lebih sempit pada peringkat pertumbuhan awal ke kawasan yang lebih luas pada peringkat kemudian.

Rajah 2(b), 2©, dan 2(d) memaparkan taburan kerintangan sepanjang arah diameter untuk wafer No.1, No.23, dan No.44, masing-masing.

Wafer No.1: Pengaruh aspek pertumbuhan adalah minimum, dengan kerintangan secara beransur-ansur meningkat dari tengah ke tepi.

Wafer No.23: Faset merendahkan kerintangan dengan ketara, manakala kawasan bukan faset mengekalkan tahap kerintangan yang lebih tinggi.

Wafer No.44: Kawasan facet mempunyai kerintangan yang jauh lebih rendah daripada wafer yang lain, dengan kesan facet pada kerintangan menjadi lebih ketara.

Rajah 3(a), 3(b), dan 3© masing-masing menunjukkan anjakan Raman bagi mod LOPC yang diukur pada kedudukan berbeza (A, B, C, D) pada wafer No.1, No.23 dan No.44 , mencerminkan perubahan dalam kepekatan pembawa.

Wafer No.1: Anjakan Raman berkurangan secara beransur-ansur dari pusat (Titik A) ke tepi (Titik C), menunjukkan pengurangan kepekatan doping nitrogen dari pusat ke tepi. Tiada perubahan anjakan Raman yang ketara diperhatikan di Titik D (rantau aspek).

Wafer No.23 dan No.44: Anjakan Raman lebih tinggi di kawasan facet (Titik D), menunjukkan kepekatan doping nitrogen yang lebih tinggi, selaras dengan ukuran kerintangan rendah.

Rajah 4(a) menunjukkan variasi dalam kepekatan pembawa dan kecerunan suhu jejari pada kedudukan jejarian wafer yang berbeza. Ia menunjukkan bahawa kepekatan pembawa berkurangan dari pusat ke tepi, manakala kecerunan suhu lebih besar pada peringkat pertumbuhan awal dan menurun seterusnya.

Rajah 4(b) menggambarkan perubahan dalam perbezaan kepekatan pembawa antara pusat facet dan pusat wafer dengan kecerunan suhu (ΔT). Pada peringkat pertumbuhan awal (Wafer No.1), kepekatan pembawa lebih tinggi di pusat wafer berbanding di pusat facet. Apabila kristal tumbuh, kepekatan doping nitrogen di kawasan facet secara beransur-ansur melepasi bahagian tengah, dengan Δn berubah daripada negatif kepada positif, menunjukkan dominasi mekanisme pertumbuhan facet yang semakin meningkat.

Rajah 5 menunjukkan perubahan kerintangan di pusat wafer dan pusat facet dari semasa ke semasa. Apabila kristal berkembang, kerintangan di pusat wafer meningkat daripada 15.5 mΩ·cm kepada 23.7 mΩ·cm, manakala kerintangan pada pusat facet meningkat pada mulanya kepada 22.1 mΩ·cm dan kemudian menurun kepada 19.5 mΩ·cm. Penurunan kerintangan di kawasan facet berkorelasi dengan perubahan dalam pecahan isipadu gas nitrogen, menunjukkan korelasi negatif antara kepekatan doping nitrogen dan kerintangan.

Kesimpulan

Kesimpulan utama kajian adalah bahawa kecerunan terma jejarian dan pertumbuhan facet kristal memberi kesan ketara kepada taburan kerintangan dalam kristal 4H-SiC:

Pada peringkat awal pertumbuhan kristal, kecerunan terma jejarian menentukan taburan kepekatan pembawa, dengan kerintangan yang lebih rendah di pusat kristal dan lebih tinggi di tepi.

Apabila kristal tumbuh, kepekatan doping nitrogen meningkat di kawasan facet, merendahkan kerintangan, dengan perbezaan kerintangan antara kawasan facet dan pusat kristal menjadi lebih jelas.

Kecerunan suhu kritikal telah dikenal pasti, menandakan peralihan kawalan pengagihan kerintangan daripada kecerunan terma jejarian kepada mekanisme pertumbuhan faset.**

Sumber Asal: Xie, X., Kong, Y., Xu, L., Yang, D., & Pi, X. (2024). Taburan kerintangan elektrik bagi hablur 4H-SiC jenis-n. Jurnal Pertumbuhan Kristal. https://doi.org/10.1016/j.jcrysgro.2024.127892