Дослідження розподілу питомого електричного опору в кристалах 4H-SiC n-типу

4H-SiC, як напівпровідниковий матеріал третього покоління, відомий своєю широкою забороненою зоною, високою теплопровідністю та чудовою хімічною та термічною стабільністю, що робить його дуже цінним у застосуваннях із високою потужністю та високою частотою. Однак ключовим фактором, що впливає на продуктивність цих пристроїв, є розподіл питомого електричного опору в кристалі 4H-SiC, особливо у кристалах великого розміру, де однорідний питомий опір є актуальною проблемою під час росту кристала. Допування азотом використовується для регулювання питомого опору 4H-SiC n-типу, але через складний радіальний тепловий градієнт і схеми росту кристалів розподіл питомого опору часто стає нерівномірним.

Як проводився експеримент?

В експерименті використовувався метод фізичного переносу пари (PVT) для вирощування кристалів 4H-SiC n-типу діаметром 150 мм. Регулюючи співвідношення суміші газів азоту та аргону, контролювали концентрацію легуючого азоту. Конкретні експериментальні етапи включали:

Підтримка температури росту кристалів між 2100°C і 2300°C і тиску зростання 2 мбар.

Регулювання об’ємної частки газоподібного азоту від початкових 9% до 6%, а потім знову до 9% під час експерименту.

Розрізання вирощеного кристала на пластини товщиною приблизно 0,45 мм для вимірювання питомого опору та спектроскопії комбінаційного розсіювання.

Використання програмного забезпечення COMSOL для моделювання теплового поля під час росту кристала, щоб краще зрозуміти розподіл питомого опору.

Що включало дослідження?

Це дослідження включало вирощування кристалів 4H-SiC n-типу діаметром 150 мм за допомогою методу PVT та вимірювання та аналіз розподілу питомого опору на різних стадіях росту. Результати показали, що на питомий опір кристала впливає радіальний тепловий градієнт і механізм росту кристала, демонструючи різні характеристики на різних стадіях росту.

Що відбувається на ранній стадії росту кристалів?

На початковій фазі росту кристала радіальний тепловий градієнт найбільше впливає на розподіл питомого опору. Питомий опір нижчий у центральній частині кристала і поступово зростає до країв через більший тепловий градієнт, що спричиняє зменшення концентрації легуючого азоту від центру до периферії. На допування азотом цієї стадії в основному впливає градієнт температури, при цьому розподіл концентрації носіїв показує чіткі характеристики залежно від коливань температури. Вимірювання раманівської спектроскопії підтвердили, що концентрація носіїв вища в центрі та нижча на краях, що відповідає результатам розподілу питомого опору.

Які зміни відбуваються на середній стадії росту кристалів?

У міру зростання кристалів грані росту розширюються, а радіальний тепловий градієнт зменшується. Під час цієї стадії, хоча радіальний тепловий градієнт все ще впливає на розподіл питомого опору, стає очевидним вплив механізму спірального росту на кристалічні грані. Питомий опір помітно нижчий у фасетних областях порівняно з нефасетними областями. Аналіз спектроскопії комбінаційного розсіювання пластини 23 показав, що концентрація носіїв значно вища в областях граней, що вказує на те, що спіральний механізм росту сприяє збільшенню легування азотом, що призводить до зниження питомого опору в цих областях.

Які характеристики пізньої стадії росту кристалів?

На пізніших стадіях росту кристалів спіральний механізм росту на гранях стає домінуючим, що ще більше зменшує питомий опір у областях граней і збільшує різницю питомого опору з центром кристала. Аналіз розподілу питомого опору пластини 44 показав, що питомий опір у фасетних областях значно нижчий, що відповідає більшому легуванню азотом у цих областях. Результати показали, що зі збільшенням товщини кристала вплив спірального механізму росту на концентрацію носіїв перевершує вплив радіального теплового градієнта. Концентрація легування азотом відносно рівномірна в областях без граней, але значно вища в областях граней, що вказує на те, що механізм легування в областях граней керує концентрацією носіїв і розподілом питомого опору на пізній стадії росту.

Як пов'язані температурний градієнт і азотне легування?

Результати експерименту також показали чітку позитивну кореляцію між концентрацією допінгу азоту та градієнтом температури. На ранній стадії концентрація легування азотом вища в центрі і нижча в областях граней. У міру зростання кристала концентрація легування азотом у фасетних областях поступово зростає, зрештою перевищуючи концентрацію в центрі, що призводить до різниці питомих опорів. Це явище можна оптимізувати шляхом контролю об’ємної частки газоподібного азоту. Аналіз чисельного моделювання показав, що зменшення радіального теплового градієнта призводить до більш рівномірної концентрації легування азотом, особливо помітного на пізніх стадіях росту. Експеримент визначив критичний градієнт температури (ΔT), нижче якого розподіл питомого опору має тенденцію стати однорідним.

Який механізм легування азотом?

На концентрацію легуючого азоту впливають не лише температура та радіальний тепловий градієнт, але також співвідношення C/Si, об’ємна частка газоподібного азоту та швидкість росту. У негранних областях легування азотом в основному контролюється температурою та співвідношенням C/Si, тоді як у фасетних областях об’ємна частка газоподібного азоту відіграє більш вирішальну роль. Дослідження показало, що шляхом регулювання об’ємної частки газоподібного азоту в областях граней можна ефективно зменшити питомий опір, досягнувши вищої концентрації носія.

На малюнку 1(a) показано положення вибраних пластин, що представляють різні стадії росту кристала. Вафля № 1 представляє ранню стадію, № 23 — середню стадію, а № 44 — пізню стадію. Аналізуючи ці пластини, дослідники можуть порівняти зміни розподілу питомого опору на різних стадіях росту.

На малюнках 1(b), 1© та 1(d) відповідно показано карти розподілу питомого опору пластин № 1, № 23 і № 44, де інтенсивність кольору вказує на рівні питомого опору, а темніші області представляють положення граней з нижчими питомий опір.

Пластина №1: фасети росту невеликі та розташовані на краю пластини, із загальним високим питомим опором, який зростає від центру до краю.

Пластина № 23: грані розширені та розташовані ближче до центру пластини, зі значно нижчим питомим опором у фасетних областях і вищим питомим опором у нефасетних областях.

Пластина № 44: грані продовжують розширюватися та рухатися до центру пластини, при цьому питомий опір у фасетних областях помітно нижчий, ніж в інших областях.

На малюнку 2(a) показано зміну ширини граней росту вздовж напрямку діаметра кристала (напрямок [1120]) з часом. Грани розширюються від більш вузьких областей на ранній стадії росту до більш широких областей на пізній стадії.

На рисунках 2(b), 2© та 2(d) показано розподіл питомого опору вздовж напрямку діаметра для пластин №1, №23 та №44 відповідно.

Пластина № 1: вплив граней росту мінімальний, питомий опір поступово зростає від центру до краю.

Пластина № 23: грані значно знижують питомий опір, тоді як області без граней зберігають вищий рівень питомого опору.

Пластина № 44: області граней мають значно нижчий питомий опір, ніж решта пластини, причому ефект фасетки на питомий опір стає більш вираженим.

На рисунках 3(a), 3(b) і 3© відповідно показано комбінаційне зсув моди LOPC, виміряне в різних положеннях (A, B, C, D) на пластинах № 1, № 23 і № 44 , що відображає зміни концентрації носіїв.

Пластина № 1: Раманівський зсув поступово зменшується від центру (точка A) до краю (точка C), що вказує на зменшення концентрації легуючого азоту від центру до краю. У точці D (область грані) не спостерігається значних змін Раманівського зсуву.

Пластини № 23 і № 44: Раманівський зсув вищий у фасетних областях (точка D), що вказує на більш високу концентрацію легування азотом, що відповідає вимірюванням низького питомого опору.

На малюнку 4(a) показано зміну концентрації носія та радіального градієнта температури в різних радіальних положеннях пластин. Це вказує на те, що концентрація носія зменшується від центру до краю, тоді як температурний градієнт є більшим на ранній стадії росту та зменшується згодом.

Рисунок 4(b) ілюструє зміну різниці в концентрації носія між центром грані та центром пластини з градієнтом температури (ΔT). На ранній стадії росту (пластина № 1) концентрація носія вища в центрі пластини, ніж у центрі грані. У міру зростання кристала концентрація легування азотом в областях граней поступово перевищує концентрацію в центрі, при цьому Δn змінюється від негативного до позитивного, що вказує на зростаюче домінування механізму росту граней.

На малюнку 5 показано зміну питомого опору в центрі пластини та центрі грані з часом. У міру зростання кристала питомий опір у центрі пластини збільшується з 15,5 мОм·см до 23,7 мОм·см, тоді як питомий опір у центрі грані спочатку збільшується до 22,1 мОм·см, а потім зменшується до 19,5 мОм·см. Зменшення питомого опору в областях граней корелює зі змінами в об’ємній частці газоподібного азоту, що вказує на негативну кореляцію між концентрацією допування азотом і питомим опором.

Висновки

Ключові висновки дослідження полягають у тому, що радіальний тепловий градієнт і ріст кристалічної грані значно впливають на розподіл питомого опору в кристалах 4H-SiC:

На ранній стадії росту кристала радіальний тепловий градієнт визначає розподіл концентрації носіїв з нижчим питомим опором у центрі кристала та вищим на краях.

У міру зростання кристала концентрація легування азотом збільшується в областях граней, знижуючи питомий опір, при цьому різниця питомих опорів між областями граней і центром кристала стає більш очевидною.

Виявлено критичний температурний градієнт, який позначає перехід управління розподілом питомого опору від радіального теплового градієнта до механізму зростання граней.**

Оригінальне джерело: Xie, X., Kong, Y., Xu, L., Yang, D., & Pi, X. (2024). Розподіл питомого електричного опору кристала 4H-SiC n-типу. Журнал росту кристалів. https://doi.org/10.1016/j.jcrysgro.2024.127892