n-Tipi 4H-SiC Kristallerinde Elektriksel Direnç Dağılımı Üzerine Çalışma

Üçüncü nesil bir yarı iletken malzeme olan 4H-SiC, geniş bant aralığı, yüksek termal iletkenliği ve mükemmel kimyasal ve termal kararlılığıyla ünlüdür ve bu da onu yüksek güç ve yüksek frekans uygulamalarında oldukça değerli kılmaktadır. Bununla birlikte, bu cihazların performansını etkileyen temel faktör, 4H-SiC kristali içindeki elektriksel direncin dağılımında, özellikle de kristal büyümesi sırasında tekdüze direncin acil bir sorun olduğu büyük boyutlu kristallerde yatmaktadır. Nitrojen katkısı, n-tipi 4H-SiC'nin direncini ayarlamak için kullanılır, ancak karmaşık radyal termal gradyan ve kristal büyüme modelleri nedeniyle direnç dağılımı çoğu zaman dengesiz hale gelir.

Deney Nasıl Gerçekleştirildi?

Deneyde, 150 mm çapında n-tipi 4H-SiC kristallerini büyütmek için Fiziksel Buhar Aktarımı (PVT) yöntemi kullanıldı. Azot ve argon gazlarının karışım oranı ayarlanarak nitrojen katkısının konsantrasyonu kontrol edildi. Spesifik deneysel adımlar şunları içeriyordu:

Kristal büyüme sıcaklığının 2100°C ile 2300°C arasında ve büyüme basıncının 2 mbar'da tutulması.

Nitrojen gazının hacimsel fraksiyonunun başlangıçtaki %9'dan %6'ya ve daha sonra deney sırasında tekrar %9'a ayarlanması.

Direnç ölçümü ve Raman spektroskopisi analizi için büyütülen kristalin yaklaşık 0,45 mm kalınlığında levhalar halinde kesilmesi.

Direnç dağılımını daha iyi anlamak amacıyla kristal büyümesi sırasında termal alanı simüle etmek için COMSOL yazılımını kullanma.

Araştırma Neleri Kapsıyordu?

Bu çalışma, PVT yöntemini kullanarak 150 mm çapında n-tipi 4H-SiC kristallerinin büyütülmesini ve farklı büyüme aşamalarında direnç dağılımının ölçülmesini ve analiz edilmesini içermektedir. Sonuçlar, kristalin direncinin radyal termal değişimden ve kristal büyüme mekanizmasından etkilendiğini ve farklı büyüme aşamalarında farklı özellikler sergilediğini gösterdi.

Kristal Büyümenin Erken Aşamasında Ne Olur?

Kristal büyümesinin başlangıç ​​aşamasında, radyal termal gradyan, direnç dağılımını en önemli şekilde etkiler. Direnç kristalin merkez bölgesinde daha düşüktür ve merkezden kenarlara doğru nitrojen katkılama konsantrasyonunda bir azalmaya neden olan daha büyük bir termal gradyan nedeniyle kenarlara doğru kademeli olarak artar. Bu aşamanın nitrojen katkısı öncelikle sıcaklık gradyanından etkilenir; taşıyıcı konsantrasyon dağılımı, sıcaklık değişimlerine bağlı olarak net özellikler gösterir. Raman spektroskopisi ölçümleri, taşıyıcı konsantrasyonunun merkezde daha yüksek ve kenarlarda daha düşük olduğunu doğruladı; bu da özdirenç dağılım sonuçlarına karşılık geliyor.

Kristal Büyümesinin Orta Aşamasında Hangi Değişiklikler Meydana Gelir?

Kristal büyümesi ilerledikçe büyüme yüzeyleri genişler ve radyal termal gradyan azalır. Bu aşamada, radyal termal gradyan hala direnç dağılımını etkilese de, spiral büyüme mekanizmasının kristal yüzeyler üzerindeki etkisi belirgin hale gelir. Faset olmayan bölgelere kıyasla faset bölgelerde direnç belirgin şekilde daha düşüktür. 23 nolu levhanın Raman spektroskopisi analizi, faset bölgelerde taşıyıcı konsantrasyonunun önemli ölçüde daha yüksek olduğunu göstermiştir; bu durum, spiral büyüme mekanizmasının artan nitrojen katkısını desteklediğini ve bu bölgelerde daha düşük dirençle sonuçlandığını göstermektedir.

Kristal Büyümenin Geç Aşamasının Özellikleri Nelerdir?

Kristal büyümesinin ilerleyen aşamalarında fasetlerdeki spiral büyüme mekanizması baskın hale gelir, faset bölgelerindeki özdirenç daha da azalır ve kristal merkezi ile özdirenç farkı artar. Plaka 44'ün direnç dağılımının analizi, faset bölgelerdeki direncin önemli ölçüde düşük olduğunu ve bu alanlardaki daha yüksek nitrojen katkısına karşılık geldiğini ortaya çıkardı. Sonuçlar, kristal kalınlığının artmasıyla birlikte spiral büyüme mekanizmasının taşıyıcı konsantrasyonu üzerindeki etkisinin radyal termal gradyanı aştığını gösterdi. Nitrojen katkı konsantrasyonu, faset olmayan bölgelerde nispeten tekdüzedir ancak faset bölgelerde önemli ölçüde daha yüksektir; bu, faset bölgelerdeki doping mekanizmasının, geç büyüme aşamasında taşıyıcı konsantrasyonunu ve direnç dağılımını yönettiğini gösterir.

Sıcaklık Gradyanı ve Azot Katkısı Nasıl İlişkilidir?

Deney sonuçları ayrıca nitrojen katkı konsantrasyonu ile sıcaklık gradyanı arasında açık bir pozitif korelasyon gösterdi. Erken aşamada nitrojen katkı konsantrasyonu merkezde daha yüksek, faset bölgelerde ise daha düşüktür. Kristal büyüdükçe faset bölgelerdeki nitrojen katkısı konsantrasyonu kademeli olarak artar, sonunda merkezdeki konsantrasyonu aşar ve direnç farklılıklarına yol açar. Bu olay nitrojen gazının hacimsel fraksiyonunun kontrol edilmesiyle optimize edilebilir. Sayısal simülasyon analizi, radyal termal eğimdeki azalmanın, özellikle daha sonraki büyüme aşamalarında belirgin olan, daha düzgün bir nitrojen katkı konsantrasyonuna yol açtığını ortaya çıkardı. Deney, altında direnç dağılımının tekdüze olma eğiliminde olduğu kritik bir sıcaklık gradyanını (ΔT) tanımladı.

Azot Dopinginin Mekanizması Nedir?

Azot katkı konsantrasyonu yalnızca sıcaklıktan ve radyal termal eğimden değil aynı zamanda C/Si oranından, nitrojen gazı hacimsel fraksiyonundan ve büyüme hızından da etkilenir. Faset olmayan bölgelerde nitrojen katkısı esas olarak sıcaklık ve C/Si oranı tarafından kontrol edilirken faset bölgelerde nitrojen gazı hacimsel fraksiyonu daha önemli bir rol oynar. Çalışma, faset bölgelerdeki nitrojen gazı hacimsel fraksiyonunun ayarlanmasıyla direncin etkili bir şekilde azaltılabileceğini ve daha yüksek taşıyıcı konsantrasyonunun elde edilebileceğini gösterdi.

Şekil 1(a), kristalin farklı büyüme aşamalarını temsil eden seçilen levhaların konumlarını göstermektedir. 1 No.lu Gofret erken aşamayı, 23 No.lu orta aşamayı ve 44 No.lu geç aşamayı temsil etmektedir. Araştırmacılar bu plakaları analiz ederek farklı büyüme aşamalarındaki direnç dağılımı değişikliklerini karşılaştırabilirler.

Şekil 1(b), 1© ve 1(d) sırasıyla No.1, No.23 ve No.44'ün direnç dağılım haritalarını gösterir; burada renk yoğunluğu direnç seviyelerini gösterir, daha koyu bölgeler daha düşük yüzey konumlarını temsil eder. Direnç.

Gofret No.1: Büyüme yönleri küçüktür ve gofretin kenarında yer alır; genel olarak yüksek direnç merkezden kenara doğru artar.

Gofret No.23: Fasetler genişlemiş ve levha merkezine daha yakın olup, faset bölgelerinde önemli ölçüde daha düşük direnç ve faset olmayan bölgelerde daha yüksek direnç bulunmaktadır.

Gofret No.44: Fasetler genişlemeye ve levha merkezine doğru hareket etmeye devam ediyor; faset bölgelerindeki direnç diğer bölgelere göre belirgin şekilde daha düşük.

Şekil 2(a), zaman içinde kristal çapı yönü ([1120] yönü) boyunca büyüme yüzlerinin genişlik değişimini göstermektedir. Fasetler, erken büyüme aşamasındaki daha dar bölgelerden, daha sonraki aşamada daha geniş alanlara doğru genişler.

Şekil 2(b), 2© ve 2(d), sırasıyla No.1, No.23 ve No.44 levhaların çap yönü boyunca direnç dağılımını göstermektedir.

Gofret No.1: Büyüme yönlerinin etkisi minimum düzeydedir ve direnç merkezden kenara giderek artmaktadır.

Gofret No.23: Fasetler direnci önemli ölçüde düşürürken, faset olmayan bölgeler daha yüksek direnç seviyelerini korur.

Gofret No.44: Faset bölgeleri, levhanın geri kalanından önemli ölçüde daha düşük dirence sahiptir ve direnç üzerindeki faset etkisi daha belirgin hale gelmektedir.

Şekil 3(a), 3(b) ve 3© sırasıyla 1, No.23 ve No.44 levhalar üzerinde farklı konumlarda (A, B, C, D) ölçülen LOPC modunun Raman kaymalarını göstermektedir. taşıyıcı konsantrasyonundaki değişiklikleri yansıtır.

Gofret No.1: Raman kayması merkezden (A Noktası) kenara (C Noktası) doğru kademeli olarak azalır, bu da nitrojen doping konsantrasyonunun merkezden kenara doğru azaldığını gösterir. D Noktasında (faset bölgesi) önemli bir Raman kayması değişimi gözlenmemektedir.

Gofret No.23 ve No.44: Faset bölgelerde (D Noktası) Raman kayması daha yüksektir, bu da düşük direnç ölçümleriyle tutarlı olarak daha yüksek nitrojen katkı konsantrasyonuna işaret eder.

Şekil 4(a), levhaların farklı radyal konumlarında taşıyıcı konsantrasyonundaki ve radyal sıcaklık gradyanındaki değişimi göstermektedir. Bu, taşıyıcı konsantrasyonunun merkezden kenara azaldığını, sıcaklık gradyanının erken büyüme aşamasında daha büyük olduğunu ve daha sonra azaldığını gösterir.

Şekil 4(b), yüzey merkezi ile levha merkezi arasındaki taşıyıcı konsantrasyonundaki farkın sıcaklık gradyanı (ΔT) ile değişimini göstermektedir. Erken büyüme aşamasında (Gofret No.1), taşıyıcı konsantrasyonu gofretin merkezinde faset merkezine göre daha yüksektir. Kristal büyüdükçe faset bölgelerindeki nitrojen katkı konsantrasyonu kademeli olarak merkezdeki konsantrasyonu aşıyor; Δn negatiften pozitife değişiyor, bu da faset büyüme mekanizmasının artan baskınlığını gösteriyor.

Şekil 5, zaman içinde levha merkezi ve faset merkezindeki dirençteki değişimi göstermektedir. Kristal büyüdükçe, levha merkezindeki direnç 15,5 mΩ·cm'den 23,7 mΩ·cm'ye yükselirken yüzey merkezindeki direnç başlangıçta 22,1 mΩ·cm'ye yükselir ve daha sonra 19,5 mΩ·cm'ye düşer. Faset bölgelerdeki dirençteki düşüş, nitrojen gazı hacimsel fraksiyonundaki değişikliklerle ilişkilidir; bu, nitrojen katkı konsantrasyonu ile direnç arasında negatif bir korelasyon olduğunu gösterir.

Sonuçlar

Çalışmanın temel sonuçları, radyal termal değişimin ve kristal yüzey büyümesinin, 4H-SiC kristallerindeki direnç dağılımını önemli ölçüde etkilediğidir:

Kristal büyümesinin erken aşamasında, radyal termal gradyan, kristal merkezinde daha düşük ve kenarlarda daha yüksek direnç ile taşıyıcı konsantrasyon dağılımını belirler.

Kristal büyüdükçe faset bölgelerde nitrojen katkı konsantrasyonu artar, özdirenç azalır ve faset bölgeler ile kristal merkezi arasındaki özdirenç farkı daha belirgin hale gelir.

Direnç dağılımı kontrolünün radyal termal gradyandan faset büyüme mekanizmasına geçişini işaret eden kritik bir sıcaklık gradyanı tanımlandı.**

Orijinal Kaynak: Xie, X., Kong, Y., Xu, L., Yang, D. ve Pi, X. (2024). N tipi bir 4H-SiC kristalinin elektriksel direncinin dağılımı. Kristal Büyüme Dergisi. https://doi.org/10.1016/j.jcrysgro.2024.127892