Studien om fordelingen av elektrisk resistivitet i n-Type 4H-SiC-krystaller

4H-SiC, som et tredjegenerasjons halvledermateriale, er kjent for sitt brede båndgap, høye termiske ledningsevne og utmerkede kjemiske og termiske stabilitet, noe som gjør det svært verdifullt i høyeffekt- og høyfrekvente applikasjoner. Nøkkelfaktoren som påvirker ytelsen til disse enhetene ligger imidlertid i fordelingen av elektrisk resistivitet i 4H-SiC-krystallene, spesielt i store krystaller der jevn resistivitet er et presserende problem under krystallvekst. Nitrogendoping brukes til å justere resistiviteten til n-type 4H-SiC, men på grunn av den komplekse radielle termiske gradienten og krystallvekstmønstrene, blir resistivitetsfordelingen ofte ujevn.

Hvordan ble eksperimentet utført?

Eksperimentet brukte Physical Vapor Transport (PVT)-metoden for å dyrke n-type 4H-SiC-krystaller med en diameter på 150 mm. Ved å justere blandingsforholdet av nitrogen og argongasser ble konsentrasjonen av nitrogendoping kontrollert. De spesifikke eksperimentelle trinnene inkluderte:

Opprettholde krystallveksttemperaturen mellom 2100°C og 2300°C og veksttrykket på 2 mbar.

Adjusting the volumetric fraction of nitrogen gas from an initial 9% down to 6% and then back up to 9% during the experiment.

Skjæring av den dyrkede krystallen i skiver med en tykkelse på omtrent 0,45 mm for resistivitetsmåling og Raman-spektroskopianalyse.

Bruk av COMSOL-programvare for å simulere det termiske feltet under krystallvekst for bedre å forstå resistivitetsfordelingen.

Hva innebar forskningen?

Denne studien innebar dyrking av n-type 4H-SiC-krystaller med en diameter på 150 mm ved bruk av PVT-metoden og måling og analyse av resistivitetsfordelingen ved forskjellige vekststadier. Resultatene viste at resistiviteten til krystallen påvirkes av den radielle termiske gradienten og krystallvekstmekanismen, og viser forskjellige egenskaper ved forskjellige vekststadier.

Hva skjer i det tidlige stadiet av krystallvekst?

I den innledende fasen av krystallvekst påvirker den radielle termiske gradienten resistivitetsfordelingen mest betydelig. Resistiviteten er lavere i den sentrale delen av krystallen og øker gradvis mot kantene, på grunn av en større termisk gradient som forårsaker en nedgang i nitrogendopingkonsentrasjonen fra sentrum til utkanten. Dette stadiets nitrogendoping påvirkes først og fremst av temperaturgradienten, med bærerkonsentrasjonsfordeling som viser klare egenskaper avhengig av temperaturvariasjoner. Raman-spektroskopimålinger bekreftet at bærerkonsentrasjonen er høyere i midten og lavere ved kantene, tilsvarende resistivitetsfordelingsresultatene.

Hvilke endringer skjer i midtstadiet av krystallvekst?

Ettersom krystallveksten skrider frem, utvides vekstfasettene, og den radielle termiske gradienten avtar. I løpet av dette stadiet, selv om den radielle termiske gradienten fortsatt påvirker resistivitetsfordelingen, blir påvirkningen av spiralvekstmekanismen på krystallfasettene tydelig. Resistiviteten er spesielt lavere i fasettregionene sammenlignet med ikke-fasettregioner. Raman-spektroskopianalyse av wafer 23 viste at bærerkonsentrasjonen er betydelig høyere i fasettregionene, noe som indikerer at spiralvekstmekanismen fremmer økt nitrogendoping, noe som resulterer i lavere resistivitet i disse regionene.

Hva er kjennetegnene ved det sene stadiet av krystallvekst?

I de senere stadiene av krystallvekst blir spiralvekstmekanismen på fasettene dominerende, noe som ytterligere reduserer resistiviteten i fasettregionene og øker resistivitetsforskjellen med krystallsenteret. Analyse av wafer 44s resistivitetsfordeling viste at resistiviteten i fasettregionene er betydelig lavere, tilsvarende høyere nitrogendoping i disse områdene. Resultatene indikerte at med økende krystalltykkelse overgår påvirkningen av spiralvekstmekanismen på bærerkonsentrasjonen den til den radielle termiske gradienten. Nitrogendopingkonsentrasjonen er relativt ensartet i ikke-fasettregionene, men betydelig høyere i fasettregionene, noe som indikerer at dopingmekanismen i fasettregioner styrer bærerkonsentrasjon og resistivitetsfordeling i det sene vekststadiet.

Hvordan er temperaturgradient og nitrogendoping relatert?

Forsøksresultatene viste også en klar positiv sammenheng mellom nitrogendopingkonsentrasjon og temperaturgradient. I det tidlige stadiet er nitrogendopingkonsentrasjonen høyere i sentrum og lavere i fasettregionene. Etter hvert som krystallen vokser, øker nitrogendopingkonsentrasjonen i fasettområdene gradvis, og overgår til slutt den i sentrum, noe som fører til resistivitetsforskjellene. Dette fenomenet kan optimaliseres ved å kontrollere den volumetriske nitrogengassfraksjonen. Numerisk simuleringsanalyse viste at reduksjonen i radiell termisk gradient fører til en mer jevn nitrogendopingkonsentrasjon, spesielt tydelig i de senere vekststadiene. Eksperimentet identifiserte en kritisk temperaturgradient (ΔT) under hvilken resistivitetsfordelingen har en tendens til å bli jevn.

Hva er mekanismen for nitrogendoping?

Nitrogendopingkonsentrasjonen påvirkes ikke bare av temperatur og radiell termisk gradient, men også av C/Si-forholdet, nitrogengass volumetrisk fraksjon og veksthastighet. I ikke-fasetregioner styres nitrogendoping hovedsakelig av temperatur og C/Si-forhold, mens i fasettregioner spiller den volumetriske nitrogengassfraksjonen en mer avgjørende rolle. Studien viste at ved å justere den volumetriske nitrogengassfraksjonen i fasettområdene, kan resistiviteten reduseres effektivt, og oppnå høyere bærerkonsentrasjon.

Figur 1(a) viser posisjonene til de utvalgte skivene, som representerer forskjellige vekststadier av krystallen. Wafer No.1 representerer det tidlige stadiet, No.23 midtstadiet og No.44 det sene stadiet. Ved å analysere disse skivene kan forskere sammenligne endringene i resistivitetsfordelingen på forskjellige vekststadier.

Figurene 1(b), 1© og 1(d) viser henholdsvis resistivitetsfordelingskartene for wafere nr. 1, nr. 23 og nr. 44, der fargeintensiteten indikerer resistivitetsnivåer, med mørkere områder som representerer fasettposisjoner med lavere resistivitet.

Wafer No.1: Vekstfasettene er små og plassert ved kanten av waferen, med generell høy resistivitet som øker fra sentrum til kanten.

Wafer No.23: Fasettene har utvidet seg og er nærmere wafersenteret, med betydelig lavere resistivitet i fasettregionene og høyere resistivitet i ikke-fasettregionene.

Wafer No.44: Fasettene fortsetter å utvide seg og beveger seg mot wafersenteret, med resistivitet i fasettregionene markant lavere enn i andre områder.

Figur 2(a) viser breddevariasjonen til vekstfasettene langs krystalldiameterretningen ([1120]-retningen) over tid. Fasettene utvides fra smalere regioner i det tidlige vekststadiet til bredere områder i det senere stadiet.

Figurene 2(b), 2© og 2(d) viser resistivitetsfordelingen langs diameterretningen for henholdsvis wafere nr. 1, nr. 23 og nr. 44.

Wafer No.1: Påvirkningen av vekstfasettene er minimal, med resistivitet som gradvis øker fra senter til kant.

Wafer No.23: Fasettene senker resistiviteten betydelig, mens ikke-fasettregionene opprettholder høyere resistivitetsnivåer.

Wafer No.44: Fasettområdene har betydelig lavere resistivitet enn resten av waferen, med fasetteffekten på resistiviteten som blir mer uttalt.

Figurene 3(a), 3(b) og 3© viser henholdsvis Raman-skiftene til LOPC-modusen målt ved forskjellige posisjoner (A, B, C, D) på wafere nr. 1, nr. 23 og nr. 44 , som reflekterer endringer i bærerkonsentrasjon.

Wafer No.1: Raman-forskyvningen avtar gradvis fra sentrum (Punkt A) til kanten (Punkt C), noe som indikerer en reduksjon i nitrogendopingkonsentrasjon fra sentrum til kant. Ingen signifikant Raman-skiftendring er observert ved punkt D (fasettregion).

Wafere nr. 23 og nr. 44: Raman-skiftet er høyere i fasettområdene (punkt D), noe som indikerer høyere nitrogen-dopingkonsentrasjon, i samsvar med målingene med lav resistivitet.

Figur 4(a) viser variasjonen i bærerkonsentrasjon og radiell temperaturgradient ved forskjellige radielle posisjoner av skivene. Det indikerer at bærerkonsentrasjonen avtar fra sentrum til kant, mens temperaturgradienten er større i det tidlige vekststadiet og avtar deretter.

Figur 4(b) illustrerer endringen i forskjellen i bærerkonsentrasjon mellom fasettsenteret og wafersenteret med temperaturgradienten (AT). I det tidlige vekststadiet (Wafer No.1) er bærerkonsentrasjonen høyere ved wafersenteret enn ved fasettsenteret. Etter hvert som krystallen vokser, overgår nitrogendopingkonsentrasjonen i fasettregionene gradvis den i sentrum, med Δn som endrer seg fra negativ til positiv, noe som indikerer den økende dominansen til fasettvekstmekanismen.

Figur 5 viser endringen i resistivitet ved wafersenteret og fasettsenteret over tid. Etter hvert som krystallen vokser, øker resistiviteten ved wafersenteret fra 15,5 mΩ·cm til 23,7 mΩ·cm, mens resistiviteten ved fasettsenteret øker til å begynne med til 22,1 mΩ·cm og deretter reduseres til 19,5 mΩ·cm. Nedgangen i resistivitet i fasettregionene korrelerer med endringer i nitrogengass volumetrisk fraksjon, noe som indikerer en negativ korrelasjon mellom nitrogendopingkonsentrasjon og resistivitet.

Konklusjoner

De viktigste konklusjonene av studien er at den radielle termiske gradienten og krystallfasettveksten i betydelig grad påvirker resistivitetsfordelingen i 4H-SiC-krystaller:

I det tidlige stadiet av krystallvekst bestemmer den radielle termiske gradienten bærerkonsentrasjonsfordelingen, med lavere resistivitet ved krystallsenteret og høyere ved kantene.

Etter hvert som krystallen vokser, øker nitrogendopingkonsentrasjonen i fasettregionene, noe som senker resistiviteten, og resistivitetsforskjellen mellom fasettregioner og krystallsenter blir tydeligere.

En kritisk temperaturgradient ble identifisert, som markerte overgangen av resistivitetsfordelingskontroll fra den radielle termiske gradienten til fasettvekstmekanismen.**

Opprinnelig kilde: Xie, X., Kong, Y., Xu, L., Yang, D., & Pi, X. (2024). Fordeling av den elektriske resistiviteten til en n-type 4H-SiC-krystall. Journal of Crystal Growth. https://doi.org/10.1016/j.jcrysgro.2024.127892