Studie o distribuci elektrického odporu v krystalech n-typu 4H-SiC

4H-SiC, jako polovodičový materiál třetí generace, je známý pro svou širokou pásmovou mezeru, vysokou tepelnou vodivost a vynikající chemickou a tepelnou stabilitu, díky čemuž je vysoce hodnotný ve vysokovýkonových a vysokofrekvenčních aplikacích. Klíčový faktor ovlivňující výkon těchto zařízení však spočívá v distribuci elektrického odporu v krystalu 4H-SiC, zejména u krystalů velkých rozměrů, kde je během růstu krystalů naléhavým problémem rovnoměrný odpor. Dopování dusíkem se používá k úpravě měrného odporu 4H-SiC typu n, ale v důsledku složitého radiálního tepelného gradientu a vzorců růstu krystalů se rozložení měrného odporu často stává nerovnoměrným.

Jak byl experiment proveden?

Experiment využíval metodu Physical Vapor Transport (PVT) k růstu n-typu 4H-SiC krystalů o průměru 150 mm. Úpravou směsného poměru plynů dusíku a argonu se řídila koncentrace dopingu dusíku. Konkrétní experimentální kroky zahrnovaly:

Udržování teploty růstu krystalů mezi 2100 °C a 2300 °C a růstového tlaku na 2 mbar.

Úprava objemového podílu plynného dusíku z počátečních 9 % na 6 % a poté zpět na 9 % během experimentu.

Řezání vyrostlého krystalu na plátky o tloušťce přibližně 0,45 mm pro měření měrného odporu a analýzu Ramanovou spektroskopií.

Použití softwaru COMSOL k simulaci tepelného pole během růstu krystalů pro lepší pochopení distribuce odporu.

Co výzkum zahrnoval?

Tato studie zahrnovala pěstování n-typu 4H-SiC krystalů o průměru 150 mm metodou PVT a měření a analýzu distribuce měrného odporu v různých fázích růstu. Výsledky ukázaly, že měrný odpor krystalu je ovlivněn radiálním tepelným gradientem a mechanismem růstu krystalu, který vykazuje různé charakteristiky v různých fázích růstu.

Co se stane během rané fáze růstu krystalů?

V počáteční fázi růstu krystalů nejvýrazněji ovlivňuje rozložení odporu radiální tepelný gradient. Odpor je nižší ve střední oblasti krystalu a postupně se zvyšuje směrem k okrajům v důsledku většího tepelného gradientu způsobujícího pokles koncentrace dopingu dusíku od středu k okrajům. Dopování dusíku v této fázi je primárně ovlivněno teplotním gradientem, přičemž distribuce koncentrace nosiče vykazuje jasné charakteristiky v závislosti na změnách teploty. Měření Ramanova spektroskopie potvrdila, že koncentrace nosiče je vyšší ve středu a nižší na okrajích, což odpovídá výsledkům distribuce měrného odporu.

Jaké změny nastávají ve střední fázi růstu krystalů?

Jak růst krystalů postupuje, růstové fasety se rozšiřují a radiální tepelný gradient klesá. Během této fáze, ačkoli radiální tepelný gradient stále ovlivňuje distribuci měrného odporu, je zřejmý vliv mechanismu spirálového růstu na fasety krystalu. Odpor je výrazně nižší v oblastech fazety ve srovnání s oblastmi bez faset. Ramanova spektroskopická analýza plátku 23 ukázala, že koncentrace nosiče je významně vyšší v oblastech faset, což naznačuje, že mechanismus spirálového růstu podporuje zvýšené dopování dusíkem, což má za následek nižší měrný odpor v těchto oblastech.

Jaké jsou charakteristiky pozdní fáze růstu krystalů?

V pozdějších fázích růstu krystalu se mechanismus spirálového růstu na fasetách stává dominantním, což dále snižuje měrný odpor v oblastech plošky a zvyšuje rozdíl měrného odporu vůči středu krystalu. Analýza distribuce měrného odporu plátku 44 odhalila, že měrný odpor v oblastech fazet je výrazně nižší, což odpovídá vyššímu dopování dusíku v těchto oblastech. Výsledky ukázaly, že s rostoucí tloušťkou krystalu převyšuje vliv mechanismu spirálového růstu na koncentraci nosiče vliv radiálního tepelného gradientu. Koncentrace dotování dusíku je relativně jednotná v oblastech bez faset, ale výrazně vyšší v oblastech faset, což ukazuje, že dopingový mechanismus v oblastech faset řídí koncentraci nosiče a distribuci měrného odporu v pozdní fázi růstu.

Jak spolu souvisí teplotní gradient a dusíkový doping?

Výsledky experimentu také ukázaly jasnou pozitivní korelaci mezi koncentrací dopingu dusíku a teplotním gradientem. V rané fázi je koncentrace dopingu dusíku vyšší ve středu a nižší v oblastech fasety. Jak krystal roste, koncentrace dopingu dusíku v oblastech fasety se postupně zvyšuje, nakonec překonává koncentraci ve středu, což vede k rozdílům v odporu. Tento jev lze optimalizovat řízením objemové frakce plynného dusíku. Numerická simulační analýza odhalila, že snížení radiálního tepelného gradientu vede k rovnoměrnější koncentraci dopingu dusíku, zvláště patrné v pozdějších fázích růstu. Experiment identifikoval kritický teplotní gradient (ΔT), pod kterým má distribuce měrného odporu tendenci být rovnoměrná.

Jaký je mechanismus dusíkového dopingu?

Koncentrace dopingu dusíku je ovlivněna nejen teplotou a radiálním tepelným gradientem, ale také poměrem C/Si, objemovým podílem plynného dusíku a rychlostí růstu. V oblastech bez fazet je dopování dusíkem řízeno hlavně teplotou a poměrem C/Si, zatímco v oblastech fazet hraje důležitější roli objemová frakce plynného dusíku. Studie ukázala, že úpravou objemové frakce plynného dusíku v oblastech fasety lze účinně snížit měrný odpor a dosáhnout vyšší koncentrace nosiče.

Obrázek 1(a) znázorňuje polohy vybraných plátků, které představují různé fáze růstu krystalu. Oplatka č. 1 představuje ranou fázi, č. 23 střední fázi a č. 44 pozdní fázi. Analýzou těchto waferů mohou výzkumníci porovnat změny distribuce odporu v různých fázích růstu.

Obrázky 1(b), 1© a 1(d) znázorňují mapy distribuce měrného odporu destiček č. 1, č. 23 a č. 44, kde intenzita barvy označuje úrovně měrného odporu, přičemž tmavší oblasti představují polohy faset s nižší odpor.

Wafer č. 1: Růstové plošky jsou malé a nacházejí se na okraji destičky, s celkově vysokým odporem, který se zvyšuje od středu k okraji.

Wafer č. 23: Fazety se rozšířily a jsou blíže středu destičky, s výrazně nižším měrným odporem v oblastech faset a vyšším měrným odporem v oblastech bez fazet.

Wafer č. 44: Fazety se nadále rozšiřují a pohybují směrem ke středu destičky, s měrným odporem v oblastech fazet výrazně nižším než v jiných oblastech.

Obrázek 2(a) ukazuje variaci šířky růstových faset ve směru průměru krystalu (směr [1120]) v průběhu času. Fazety se rozšiřují z užších oblastí v rané fázi růstu do širších oblastí v pozdější fázi.

Obrázky 2(b), 2© a 2(d) zobrazují distribuci měrného odporu ve směru průměru pro destičky č. 1, č. 23 a č. 44, v tomto pořadí.

Wafer č. 1: Vliv růstových faset je minimální, přičemž měrný odpor se postupně zvyšuje od středu k okraji.

Wafer č. 23: Fasety výrazně snižují měrný odpor, zatímco nefasetové oblasti si udržují vyšší úrovně měrného odporu.

Wafer č. 44: Oblasti fasety mají výrazně nižší měrný odpor než zbytek waferu, přičemž vliv fasety na měrný odpor je stále výraznější.

Obrázky 3(a), 3(b) a 3© ukazují Ramanovy posuny režimu LOPC měřené v různých polohách (A, B, C, D) na destičkách č. 1, č. 23 a č. 44 , odrážející změny v koncentraci nosiče.

Wafer č. 1: Ramanův posun se postupně snižuje od středu (bod A) k okraji (bod C), což ukazuje na snížení koncentrace dopingu dusíku od středu k okraji. V bodě D (oblast fazety) nebyla pozorována žádná významná změna Ramanova posunu.

Wafery č. 23 a č. 44: Ramanův posun je vyšší v oblastech fazet (bod D), což ukazuje na vyšší koncentraci dopingu dusíku, což je v souladu s měřením nízkého odporu.

Obrázek 4(a) ukazuje změnu koncentrace nosiče a radiálního teplotního gradientu v různých radiálních polohách plátků. Ukazuje, že koncentrace nosiče klesá od středu k okraji, zatímco teplotní gradient je větší v rané fázi růstu a následně klesá.

Obrázek 4(b) ilustruje změnu v rozdílu v koncentraci nosiče mezi středem fasety a středem plátku s teplotním gradientem (AT). V rané fázi růstu (wafer č. 1) je koncentrace nosiče vyšší ve středu destičky než ve středu fasety. Jak krystal roste, koncentrace dopingu dusíku v oblastech faset postupně převyšuje koncentraci ve středu, přičemž Δn se mění z negativního na pozitivní, což ukazuje na rostoucí dominanci mechanismu růstu fasety.

Obrázek 5 ukazuje změnu měrného odporu ve středu destičky a středu fasety v průběhu času. Jak krystal roste, měrný odpor ve středu destičky se zvyšuje z 15,5 mΩ·cm na 23,7 mΩ·cm, zatímco měrný odpor ve středu fasety se zpočátku zvyšuje na 22,1 mΩ·cm a poté klesá na 19,5 mΩ·cm. Pokles měrného odporu v oblastech faset koreluje se změnami v objemové frakci plynného dusíku, což ukazuje na negativní korelaci mezi koncentrací dopingu dusíku a měrným odporem.

Závěry

Klíčové závěry studie jsou, že radiální tepelný gradient a růst faset krystalů významně ovlivňují distribuci odporu v krystalech 4H-SiC:

V rané fázi růstu krystalu určuje radiální tepelný gradient distribuci koncentrace nosiče s nižším odporem ve středu krystalu a vyšším na okrajích.

Jak krystal roste, zvyšuje se koncentrace dopování dusíku v oblastech faset, čímž se snižuje měrný odpor, přičemž rozdíl v měrném odporu mezi oblastmi plošek a středem krystalu je stále zřetelnější.

Byl identifikován kritický teplotní gradient, označující přechod řízení distribuce měrného odporu z radiálního tepelného gradientu na mechanismus růstu faset.**

Původní zdroj: Xie, X., Kong, Y., Xu, L., Yang, D., & Pi, X. (2024). Distribuce elektrického odolnosti krystalu 4H-SiC typu N. Journal of Crystal Growth. https://doi.org/10.1016/j.jcrysgro.2024.127892