Изследване на разпределението на електрическото съпротивление в n-тип 4H-SiC кристали

4H-SiC, като полупроводников материал от трето поколение, е известен със своята широка ширина на лентата, висока топлопроводимост и отлична химическа и термична стабилност, което го прави много ценен в приложения с висока мощност и висока честота. Въпреки това, ключовият фактор, който влияе на работата на тези устройства, се крие в разпределението на електрическото съпротивление в кристала 4H-SiC, особено в кристали с големи размери, където равномерното съпротивление е належащ проблем по време на растежа на кристала. Допингът с азот се използва за регулиране на съпротивлението на n-тип 4H-SiC, но поради сложния радиален термичен градиент и моделите на растеж на кристалите, разпределението на съпротивлението често става неравномерно.

Как беше проведен експериментът?

Експериментът използва метода Physical Vapor Transport (PVT) за отглеждане на n-тип 4H-SiC кристали с диаметър 150 mm. Чрез регулиране на съотношението на сместа на газовете азот и аргон се контролира концентрацията на азотен допинг. Конкретните експериментални стъпки включват:

Поддържане на температурата на растеж на кристала между 2100°C и 2300°C и налягането на растеж при 2 mbar.

Регулиране на обемната фракция на азотния газ от първоначалните 9% до 6% и след това обратно до 9% по време на експеримента.

Нарязване на израсналия кристал на пластини с дебелина приблизително 0,45 mm за измерване на съпротивлението и анализ на Raman спектроскопия.

Използване на софтуер COMSOL за симулиране на термичното поле по време на растеж на кристала, за да се разбере по-добре разпределението на съпротивлението.

Какво включва изследването?

Това изследване включва отглеждане на кристали n-тип 4H-SiC с диаметър 150 mm, използвайки метода PVT и измерване и анализ на разпределението на съпротивлението на различни етапи на растеж. Резултатите показват, че съпротивлението на кристала се влияе от радиалния термичен градиент и механизма на растеж на кристала, показващ различни характеристики на различни етапи на растеж.

Какво се случва по време на ранния етап от растежа на кристалите?

В началната фаза на растеж на кристала радиалният термичен градиент най-съществено влияе върху разпределението на съпротивлението. Съпротивлението е по-ниско в централната област на кристала и постепенно се увеличава към краищата, поради по-големия термичен градиент, причиняващ намаляване на концентрацията на азотен допинг от центъра към покрайнините. Азотното допиране на този етап се влияе основно от температурния градиент, като разпределението на концентрацията на носител показва ясни характеристики в зависимост от температурните вариации. Измерванията на Raman спектроскопия потвърдиха, че концентрацията на носител е по-висока в центъра и по-ниска в краищата, съответстващи на резултатите от разпределението на съпротивлението.

Какви промени настъпват в средния етап на растеж на кристалите?

С напредването на растежа на кристала фасетите на растежа се разширяват и радиалният термичен градиент намалява. По време на този етап, въпреки че радиалният термичен градиент все още влияе върху разпределението на съпротивлението, влиянието на спиралния механизъм на растеж върху кристалните фасети става очевидно. Съпротивлението е значително по-ниско във фасетните региони в сравнение с нефасетните региони. Рамановият спектроскопски анализ на пластина 23 показа, че концентрацията на носител е значително по-висока в областите на фасетите, което показва, че спиралният растежен механизъм насърчава повишен азотен допинг, което води до по-ниско съпротивление в тези региони.

Какви са характеристиките на късния етап от растежа на кристалите?

В по-късните етапи на растеж на кристала, механизмът на спирален растеж на фасетите става доминиращ, като допълнително намалява съпротивлението в областите на фасетите и увеличава разликата в съпротивлението с кристалния център. Анализът на разпределението на съпротивлението на вафла 44 разкри, че съпротивлението в областите на фасетите е значително по-ниско, което съответства на по-високо допиране с азот в тези области. Резултатите показват, че с увеличаване на дебелината на кристала влиянието на спиралния растежен механизъм върху концентрацията на носителя надвишава това на радиалния термичен градиент. Концентрацията на азотен допинг е относително равномерна в нефасетните региони, но значително по-висока в фасетните региони, което показва, че механизмът на допинг в фасетните региони управлява концентрацията на носителя и разпределението на съпротивлението в късния етап на растеж.

Как са свързани температурният градиент и азотният допинг?

Резултатите от експеримента също показват ясна положителна корелация между концентрацията на азотен допинг и температурния градиент. В ранния етап концентрацията на азотен допинг е по-висока в центъра и по-ниска във фасетните области. Тъй като кристалът расте, концентрацията на азотен допинг във фасетните области постепенно се увеличава, като в крайна сметка надвишава тази в центъра, което води до разликите в съпротивлението. Това явление може да се оптимизира чрез контролиране на обемната фракция на азотния газ. Анализът на числената симулация разкри, че намаляването на радиалния термичен градиент води до по-равномерна концентрация на азотен допинг, особено очевидно в по-късните етапи на растеж. Експериментът идентифицира критичен температурен градиент (ΔT), под който разпределението на съпротивлението има тенденция да стане равномерно.

Какъв е механизмът на азотния допинг?

Концентрацията на азотен допинг се влияе не само от температурата и радиалния термичен градиент, но и от съотношението C/Si, обемната фракция на азотния газ и скоростта на растеж. В нефасетните региони азотното допиране се контролира главно от температурата и съотношението C/Si, докато в фасетните региони обемната фракция на азотния газ играе по-важна роля. Проучването показа, че чрез регулиране на обемната фракция на азотния газ във фасетните области, съпротивлението може да бъде ефективно намалено, като се постигне по-висока концентрация на носител.

Фигура 1 (а) изобразява позициите на избраните вафли, представляващи различни етапи на растеж на кристала. Wafer No.1 представлява ранния етап, No.23 средния етап и No.44 късния етап. Чрез анализиране на тези пластини изследователите могат да сравнят промените в разпределението на съпротивлението на различни етапи на растеж.

Фигури 1(b), 1© и 1(d) показват съответно картите на разпределението на съпротивлението на пластини No.1, No.23 и No.44, където интензитетът на цвета показва нивата на съпротивление, като по-тъмните области представляват позиции на фасети с по-ниски съпротивление.

Вафла №1: Растежните фасети са малки и разположени по ръба на пластината, с общо високо съпротивление, което се увеличава от центъра към ръба.

Вафла № 23: Фасетите са разширени и са по-близо до центъра на пластината, със значително по-ниско съпротивление в областите на фасетите и по-високо съпротивление в областите без фасети.

Пластина No.44: Фасетите продължават да се разширяват и се движат към центъра на пластината, като съпротивлението в областите на фасетите е значително по-ниско, отколкото в други области.

Фигура 2(a) показва промяната на ширината на фасетите на растеж по посока на диаметъра на кристала (посока [1120]) във времето. Фасетите се разширяват от по-тесни региони в ранния етап на растеж до по-широки области в по-късния етап.

Фигури 2(b), 2© и 2(d) показват разпределението на съпротивлението по посока на диаметъра за пластини No.1, No.23 и No.44, съответно.

Wafer No.1: Влиянието на фасетите на растеж е минимално, като съпротивлението постепенно се увеличава от центъра към ръба.

Wafer No.23: Фасетите значително понижават съпротивлението, докато областите без фасети поддържат по-високи нива на съпротивление.

Вафла No.44: Областите на фасетите имат значително по-ниско съпротивление от останалата част на пластината, като фасетният ефект върху съпротивлението става по-изразен.

Фигури 3(a), 3(b) и 3© съответно показват Раманови измествания на режима LOPC, измерени на различни позиции (A, B, C, D) върху пластини No.1, No.23 и No.44 , отразяващи промените в концентрацията на носител.

Пластина №1: Рамановото изместване намалява постепенно от центъра (Точка А) към ръба (Точка С), което показва намаляване на концентрацията на азотен допинг от центъра към ръба. Не се наблюдава значителна промяна на рамановото изместване в точка D (фасетна област).

Пластини № 23 и № 44: Рамановото изместване е по-високо в областите на фасетите (точка D), което показва по-висока концентрация на азотен допинг, в съответствие с измерванията на ниско съпротивление.

Фигура 4 (а) показва вариацията в концентрацията на носител и радиалния температурен градиент при различни радиални позиции на пластините. Това показва, че концентрацията на носител намалява от центъра към ръба, докато температурният градиент е по-голям в ранния етап на растеж и намалява впоследствие.

Фигура 4 (b) илюстрира промяната в разликата в концентрацията на носител между фасетния център и центъра на пластината с температурния градиент (ΔT). В ранния стадий на растеж (вафла №1), концентрацията на носител е по-висока в центъра на вафлата, отколкото в центъра на фасетата. Тъй като кристалът расте, концентрацията на азотен допинг в областите на фасетите постепенно надвишава тази в центъра, като Δn се променя от отрицателна на положителна, което показва нарастващото доминиране на механизма на растеж на фасетите.

Фигура 5 показва промяната в съпротивлението в центъра на пластината и центъра на фасета с течение на времето. С нарастването на кристала съпротивлението в центъра на пластината се увеличава от 15,5 mΩ·cm до 23,7 mΩ·cm, докато съпротивлението в центъра на фасетата се увеличава първоначално до 22,1 mΩ·cm и след това намалява до 19,5 mΩ·cm. Намаляването на съпротивлението във фасетните области корелира с промените в обемната фракция на азотния газ, което показва отрицателна корелация между концентрацията на азотен допинг и съпротивлението.

Изводи

Ключовите заключения от изследването са, че радиалният термичен градиент и нарастването на кристалния фасет значително влияят върху разпределението на съпротивлението в кристалите 4H-SiC:

В ранния етап на растеж на кристала, радиалният термичен градиент определя разпределението на концентрацията на носителя, с по-ниско съпротивление в центъра на кристала и по-високо в краищата.

С нарастването на кристала концентрацията на азотен допинг се увеличава във фасетните региони, намалявайки съпротивлението, като разликата в съпротивлението между фасетните региони и центъра на кристала става все по-очевидна.

Беше идентифициран критичен температурен градиент, който маркира прехода на контрола на разпределението на съпротивлението от радиалния термичен градиент към механизма на нарастване на фасетите.**

Оригинален източник: Xie, X., Kong, Y., Xu, L., Yang, D., & Pi, X. (2024). Разпределение на електрическото съпротивление на n-тип 4H-SiC кристал. Journal of Crystal Growth. https://doi.org/10.1016/j.jcrysgro.2024.127892