n-типті 4H-SiC кристалдарындағы электрлік кедергінің таралуын зерттеу

4H-SiC үшінші буындағы жартылай өткізгіш материал ретінде оның кең диапазондылығымен, жоғары жылу өткізгіштігімен және тамаша химиялық және термиялық тұрақтылығымен танымал, бұл оны жоғары қуатты және жоғары жиілікті қолданбаларда өте құнды етеді. Дегенмен, бұл құрылғылардың өнімділігіне әсер ететін негізгі фактор 4H-SiC кристалының ішінде электрлік кедергінің таралуында, әсіресе үлкен өлшемді кристалдарда, кристалдардың өсуі кезінде біркелкі кедергі өзекті мәселе болып табылады. Азот қоспасы n-типті 4H-SiC кедергісін реттеу үшін қолданылады, бірақ күрделі радиалды термиялық градиент пен кристалдық өсу үлгілеріне байланысты кедергінің таралуы жиі біркелкі болмайды.

Эксперимент қалай жүргізілді?

Экспериментте диаметрі 150 мм болатын n-типті 4H-SiC кристалдарын өсіру үшін физикалық буларды тасымалдау (PVT) әдісі қолданылды. Азот пен аргон газдарының қоспасының қатынасын реттеу арқылы азот қоспасының концентрациясы бақыланды. Арнайы эксперименттік қадамдар мыналарды қамтиды:

Кристалдың өсу температурасын 2100°C және 2300°C аралығында және өсу қысымын 2 мбар деңгейінде ұстау.

Тәжірибе барысында азот газының көлемдік үлесін бастапқы 9%-дан 6%-ға дейін, содан кейін 9%-ға дейін реттеу.

Өскен кристалды кедергіні өлшеу және Раман спектроскопиялық талдау үшін қалыңдығы шамамен 0,45 мм пластинкаларға кесу.

Кедергінің таралуын жақсырақ түсіну үшін кристалдардың өсуі кезінде жылу өрісін модельдеу үшін COMSOL бағдарламалық құралын пайдалану.

Зерттеу нені қамтыды?

Бұл зерттеу PVT әдісін қолдана отырып, диаметрі 150 мм n-типті 4H-SiC кристалдарын өсіруді және әртүрлі өсу кезеңдеріндегі кедергінің таралуын өлшеуді және талдауды қамтыды. Нәтижелер кристалдың меншікті кедергісіне радиалды жылулық градиент пен кристалдың өсу механизмі әсер ететінін көрсетті, өсу әртүрлі кезеңдерінде әртүрлі сипаттамалар көрсетеді.

Кристалл өсуінің ерте кезеңінде не болады?

Кристалл өсуінің бастапқы фазасында радиалды жылу градиенті меншікті кедергінің таралуына айтарлықтай әсер етеді. Кедергі кристалдың орталық аймағында төменірек және орталықтан шетке қарай азот қоспасының концентрациясының төмендеуін тудыратын үлкен термиялық градиентке байланысты шеттерге қарай біртіндеп артады. Бұл кезеңдегі азот қоспасына ең алдымен температура градиенті әсер етеді, тасымалдаушы концентрациясының таралуы температура ауытқуларына байланысты айқын сипаттарды көрсетеді. Раман спектроскопиялық өлшемдері меншікті кедергінің таралу нәтижелеріне сәйкес тасымалдаушы концентрациясының орталықта жоғары және шеттерде төмен екенін растады.

Кристаллдың өсуінің орта сатысында қандай өзгерістер болады?

Кристаллдың өсуімен өсу қырлары кеңейеді, ал радиалды жылу градиент төмендейді. Бұл кезеңде радиалды жылу градиент әлі де меншікті кедергінің таралуына әсер еткенімен, спиральды өсу механизмінің кристалдық қырларға әсері айқын болады. Кедергілігі фасеттік емес аймақтармен салыстырғанда фасеттік аймақтарда айтарлықтай төмен. 23 пластинкасының Раман спектроскопиялық талдауы тасушы концентрациясының фасет аймақтарында айтарлықтай жоғары екенін көрсетті, бұл спиральды өсу механизмі азот қоспасының жоғарылауына ықпал ететінін көрсетеді, нәтижесінде осы аймақтарда кедергі төмендейді.

Кристалл өсуінің соңғы кезеңінің ерекшеліктері қандай?

Кристаллдың өсуінің кейінгі кезеңдерінде фасеттерде спиральды өсу механизмі басым болады, бұл фасет аймақтарындағы кедергіні одан әрі төмендетеді және кристалдық орталықпен меншікті кедергінің айырмашылығын арттырады. Вафли 44 кедергісінің таралу талдауы фасеттік аймақтардағы кедергінің айтарлықтай төмен екенін көрсетті, бұл осы аймақтардағы жоғары азот қоспасына сәйкес келеді. Нәтижелер кристалл қалыңдығының жоғарылауымен спиральды өсу механизмінің тасымалдаушы концентрациясына әсері радиалды жылу градиентінен асып түсетінін көрсетті. Азот қоспасының концентрациясы фасеттік емес аймақтарда салыстырмалы түрде біркелкі, бірақ фасеттік аймақтарда айтарлықтай жоғары, бұл фасеттік аймақтардағы допингтік механизм тасымалдаушы концентрациясын және өсудің кеш сатысында кедергінің таралуын басқаратынын көрсетеді.

Температура градиенті мен азотты қоспалау қалай байланысты?

Тәжірибе нәтижелері сонымен қатар азот қоспасының концентрациясы мен температура градиенті арасындағы айқын оң корреляцияны көрсетті. Бастапқы кезеңде азот қоспасының концентрациясы орталықта жоғары, ал фасеттік аймақтарда төмен. Кристалл өскен сайын фасеттік аймақтардағы азот қоспасының концентрациясы бірте-бірте артады, сайып келгенде орталықтағыдан асып түседі, бұл кедергінің айырмашылығына әкеледі. Бұл құбылысты азот газының көлемдік үлесін бақылау арқылы оңтайландыруға болады. Сандық модельдеу талдауы радиалды термиялық градиенттің төмендеуі азот қоспасының біркелкі концентрациясына әкелетінін көрсетті, әсіресе өсудің кейінгі кезеңдерінде айқын көрінеді. Эксперимент критикалық температура градиентін (ΔT) анықтады, одан төмен меншікті кедергінің таралуы біркелкі болады.

Азоттық допингтің механизмі қандай?

Азот қоспасының концентрациясына тек температура мен радиалды термиялық градиент ғана емес, сонымен қатар C/Si қатынасы, азот газының көлемдік үлесі және өсу жылдамдығы әсер етеді. Фасеттік емес аймақтарда азот қоспасы негізінен температура мен C/Si қатынасымен бақыланады, ал фасеттік аймақтарда азот газының көлемдік фракциясы маңыздырақ рөл атқарады. Зерттеу көрсеткендей, фасеттік аймақтардағы азот газының көлемдік үлесін реттеу арқылы меншікті кедергіні тиімді төмендетуге болады, бұл жоғары тасымалдаушы концентрациясына қол жеткізу.

1(а) суретте кристалдың әртүрлі өсу кезеңдерін көрсететін таңдалған пластинкалардың позициялары көрсетілген. №1 вафель ерте кезеңді, №23 орта кезеңді және №44 кеш кезеңді білдіреді. Осы пластиналарды талдай отырып, зерттеушілер әртүрлі өсу кезеңдеріндегі кедергінің таралу өзгерістерін салыстыра алады.

1(b), 1© және 1(d) суреттері сәйкесінше №1, №23 және №44 пластинкалардың меншікті кедергісінің таралу карталарын көрсетеді, мұнда түс қарқындылығы меншікті кедергі деңгейлерін көрсетеді, ал күңгірт аймақтар төменгі фасет позицияларын білдіреді. қарсылық.

Вафли №1: өсу қырлары шағын және вафлидің шетінде орналасқан, жалпы жоғары кедергісі ортасынан шетіне дейін артады.

№23 вафли: қырлары кеңейіп, вафли орталығына жақынырақ, фасеттік аймақтарда кедергісі айтарлықтай төмен, ал беттік емес аймақтарда жоғары қарсылық.

№44 вафли: қырлары кеңейіп, вафли орталығына қарай жылжуын жалғастыруда, фасет аймақтарындағы кедергі басқа аймақтарға қарағанда айтарлықтай төмен.

2(а) суретте кристалл диаметрі бағыты бойынша ([1120] бағыт) уақыт бойынша өсу қырларының енінің өзгеруі көрсетілген. Аспекттер ерте өсу кезеңінде тар аймақтардан кейінгі кезеңде кеңірек аймақтарға дейін кеңейеді.

2(b), 2© және 2(d) суреттері сәйкесінше №1, №23 және №44 пластиналар үшін диаметр бағыты бойынша меншікті кедергінің таралуын көрсетеді.

Вафель №1: өсу қырларының әсері аз, кедергісі бірте-бірте орталықтан шетке дейін артады.

Вафель №23: қырлары кедергіні айтарлықтай төмендетеді, ал фасеттік емес аймақтар жоғары кедергі деңгейлерін сақтайды.

Вафли №44: фасет аймақтары вафлидің қалған бөліктеріне қарағанда айтарлықтай төмен меншікті кедергіге ие, бұл қарсылыққа фасеттік әсер айқынырақ болады.

3(a), 3(b) және 3© суреттері сәйкесінше №1, №23 және №44 пластиналардағы әртүрлі позицияларда (A, B, C, D) өлшенген LOPC режимінің Раман ығысуларын көрсетеді. , тасымалдаушы концентрациясының өзгеруін көрсетеді.

Вафель №1: Раманның ығысуы орталықтан (А нүктесі) шетке (С нүктесі) бірте-бірте азаяды, бұл орталықтан шетке азот қоспасының концентрациясының төмендеуін көрсетеді. D нүктесінде (фасет аймағы) айтарлықтай Раман ығысуы байқалмайды.

№23 және №44 пластиналар: Раман ығысуы фасет аймақтарында жоғарырақ (D нүктесі), төмен меншікті кедергі өлшемдеріне сәйкес келетін азот қоспасының жоғары концентрациясын көрсетеді.

4(а) суретте пластинаның әртүрлі радиалды позицияларында тасымалдаушы концентрациясының және радиалды температура градиентінің өзгеруі көрсетілген. Бұл тасымалдаушы концентрациясы орталықтан шетке қарай төмендейтінін көрсетеді, ал температура градиенті өсудің бастапқы кезеңінде үлкенірек және кейінірек төмендейді.

4(b) суретте температура градиенті (ΔT) бар фасет центрі мен вафли орталығы арасындағы тасымалдаушы концентрациясының айырмашылығының өзгеруі көрсетілген. Ерте өсу кезеңінде (Вафель No1) тасушы концентрациясы фасеттік орталыққа қарағанда вафли орталығында жоғары болады. Кристалл өскен сайын фасет аймақтарындағы азот қоспасының концентрациясы орталықтағыдан бірте-бірте асып түседі, Δn терістен оңға өзгереді, бұл фасет өсу механизмінің өсіп келе жатқан үстемдігін көрсетеді.

5-суретте вафли орталығындағы және фасеттік орталықтағы кедергінің уақыт бойынша өзгеруі көрсетілген. Кристалл өскен сайын вафли орталығындағы меншікті меншікті кедергі 15,5 мОм·см-ден 23,7 мО·см-ге дейін артады, ал фасет центріндегі кедергі бастапқыда 22,1 мО·см-ге дейін артады, содан кейін 19,5 мО·см-ге дейін төмендейді. Фасеттік аймақтардағы кедергінің төмендеуі азот газының көлемдік фракциясының өзгеруімен корреляцияланады, бұл азот қоспасының концентрациясы мен кедергісі арасындағы теріс корреляцияны көрсетеді.

Қорытындылар

Зерттеудің негізгі қорытындылары радиалды термиялық градиент пен кристалдық фасеттің өсуі 4H-SiC кристалдарындағы кедергінің таралуына айтарлықтай әсер етеді:

Кристаллдың өсуінің бастапқы кезеңінде радиалды жылулық градиент тасымалдаушы концентрациясының таралуын анықтайды, кристалдық орталықта төмен меншікті кедергі және шеттерде жоғары.

Кристалл өскен сайын азот қоспасының концентрациясы фасет аймақтарында артып, кедергіні төмендетеді, фасет аймақтары мен кристалдық орталық арасындағы кедергі айырмашылығы айқынырақ болады.

Критикалық температура градиенті анықталды, бұл кедергінің таралуын бақылаудың радиалды жылу градиентінен фасет өсу механизміне өтуін белгілейді.**

Бастапқы дереккөз: Xie, X., Kong, Y., Xu, L., Yang, D., & Pi, X. (2024). n-типті 4H-SiC кристалының электрлік кедергісінің таралуы. Crystal Growth журналы. https://doi.org/10.1016/j.jcrysgro.2024.127892