مطالعه توزیع مقاومت الکتریکی در کریستال های نوع n-4H-SiC

4H-SiC، به عنوان یک ماده نیمه هادی نسل سوم، به خاطر گپ باند وسیع، رسانایی حرارتی بالا، و پایداری شیمیایی و حرارتی عالی شهرت دارد که آن را در کاربردهای پرقدرت و فرکانس بالا بسیار ارزشمند می کند. با این حال، عامل کلیدی موثر بر عملکرد این دستگاه ها در توزیع مقاومت الکتریکی در کریستال 4H-SiC نهفته است، به ویژه در کریستال های با اندازه بزرگ که در آن مقاومت یکنواخت در طول رشد کریستال یک مسئله مهم است. دوپینگ نیتروژن برای تنظیم مقاومت n-type 4H-SiC استفاده می شود، اما به دلیل شیب حرارتی شعاعی پیچیده و الگوهای رشد کریستال، توزیع مقاومت اغلب ناهموار می شود.

آزمایش چگونه انجام شد؟

این آزمایش از روش حمل و نقل بخار فیزیکی (PVT) برای رشد کریستال‌های 4H-SiC نوع n با قطر 150 میلی‌متر استفاده کرد. با تنظیم نسبت مخلوط گازهای نیتروژن و آرگون، غلظت نیتروژن دوپینگ کنترل شد. مراحل آزمایشی خاص شامل:

حفظ دمای رشد کریستال بین 2100 درجه سانتی گراد تا 2300 درجه سانتی گراد و فشار رشد در 2 میلی بار.

تنظیم کسر حجمی گاز نیتروژن از 9٪ اولیه به 6٪ و سپس تا 9٪ در طول آزمایش.

برش کریستال رشد یافته به ویفرهایی با ضخامت تقریبی 0.45 میلی متر برای اندازه گیری مقاومت و تجزیه و تحلیل طیف سنجی رامان.

استفاده از نرم افزار COMSOL برای شبیه سازی میدان حرارتی در طول رشد کریستال برای درک بهتر توزیع مقاومت.

تحقیق شامل چه چیزی بود؟

این مطالعه شامل رشد کریستال های نوع n 4H-SiC با قطر 150 میلی متر با استفاده از روش PVT و اندازه گیری و تجزیه و تحلیل توزیع مقاومت در مراحل مختلف رشد بود. نتایج نشان داد که مقاومت کریستال تحت تأثیر گرادیان حرارتی شعاعی و مکانیسم رشد کریستال است و ویژگی‌های متفاوتی را در مراحل مختلف رشد نشان می‌دهد.

در مرحله اولیه رشد کریستال چه اتفاقی می افتد؟

در فاز اولیه رشد کریستال، گرادیان حرارتی شعاعی بیشترین تأثیر را بر توزیع مقاومت دارد. مقاومت در ناحیه مرکزی کریستال کمتر است و به تدریج به سمت لبه ها افزایش می یابد، به دلیل یک گرادیان حرارتی بزرگتر که باعث کاهش غلظت دوپینگ نیتروژن از مرکز به حومه می شود. دوپینگ نیتروژن این مرحله در درجه اول تحت تأثیر گرادیان دما است، با توزیع غلظت حامل که بسته به تغییرات دما ویژگی های واضحی را نشان می دهد. اندازه‌گیری‌های طیف‌سنجی رامان تأیید کرد که غلظت حامل در مرکز بالاتر و در لبه‌ها کمتر است، که با نتایج توزیع مقاومت مطابقت دارد.

چه تغییراتی در مرحله میانی رشد کریستال رخ می دهد؟

با پیشرفت رشد کریستال، وجوه رشد گسترش می یابد و گرادیان حرارتی شعاعی کاهش می یابد. در طول این مرحله، اگرچه گرادیان حرارتی شعاعی هنوز بر توزیع مقاومت تأثیر می گذارد، تأثیر مکانیسم رشد مارپیچی بر روی وجوه کریستالی آشکار می شود. مقاومت به طور قابل توجهی در مناطق وجهی در مقایسه با مناطق غیر وجهی کمتر است. تجزیه و تحلیل طیف سنجی رامان ویفر 23 نشان داد که غلظت حامل به طور قابل توجهی در مناطق فاست بالاتر است، که نشان می دهد مکانیسم رشد مارپیچی باعث افزایش دوپینگ نیتروژن می شود و در نتیجه مقاومت کمتری در این مناطق ایجاد می شود.

ویژگی های مرحله پایانی رشد کریستال چیست؟

در مراحل بعدی رشد کریستال، مکانیسم رشد مارپیچی بر روی وجوه غالب می‌شود و باعث کاهش بیشتر مقاومت در مناطق وجه و افزایش تفاوت مقاومت با مرکز کریستال می‌شود. تجزیه و تحلیل توزیع مقاومت ویفر 44 نشان داد که مقاومت در مناطق فاست به طور قابل توجهی کمتر است، که مربوط به دوپینگ نیتروژن بالاتر در این مناطق است. نتایج نشان داد که با افزایش ضخامت کریستال، تأثیر مکانیسم رشد مارپیچی بر غلظت حامل از گرادیان حرارتی شعاعی پیشی می‌گیرد. غلظت دوپینگ نیتروژن در مناطق غیر وجهی نسبتاً یکنواخت است اما در مناطق جنبه به طور قابل‌توجهی بالاتر است، که نشان می‌دهد مکانیسم دوپینگ در مناطق وجهی بر غلظت حامل و توزیع مقاومت در مرحله رشد اواخر حکومت می‌کند.

گرادیان دما و دوپینگ نیتروژن چگونه به هم مرتبط هستند؟

نتایج آزمایش همچنین یک همبستگی مثبت واضح بین غلظت دوپینگ نیتروژن و گرادیان دما را نشان داد. در مراحل اولیه، غلظت دوپینگ نیتروژن در مرکز بیشتر و در نواحی فاست کمتر است. با رشد کریستال، غلظت دوپینگ نیتروژن در نواحی سطحی به تدریج افزایش می‌یابد و در نهایت از آن در مرکز فراتر می‌رود که منجر به تفاوت‌های مقاومتی می‌شود. این پدیده را می توان با کنترل کسر حجمی گاز نیتروژن بهینه کرد. تجزیه و تحلیل شبیه‌سازی عددی نشان داد که کاهش گرادیان حرارتی شعاعی منجر به غلظت دوپینگ نیتروژن یکنواخت‌تر می‌شود، به ویژه در مراحل رشد بعدی مشهود است. این آزمایش یک گرادیان دمای بحرانی (ΔT) را شناسایی کرد که در زیر آن توزیع مقاومت به یکنواخت شدن تمایل دارد.

مکانیسم دوپینگ نیتروژن چیست؟

غلظت دوپینگ نیتروژن نه تنها تحت تأثیر دما و گرادیان حرارتی شعاعی، بلکه تحت تأثیر نسبت C/Si، کسر حجمی گاز نیتروژن و سرعت رشد قرار می‌گیرد. در مناطق غیر وجهی، دوپینگ نیتروژن عمدتاً توسط دما و نسبت C/Si کنترل می‌شود، در حالی که در مناطق فاست، کسر حجمی گاز نیتروژن نقش مهم‌تری ایفا می‌کند. این مطالعه نشان داد که با تنظیم کسر حجمی گاز نیتروژن در مناطق سطحی، مقاومت را می توان به طور موثر کاهش داد و به غلظت حامل بالاتری دست یافت.

شکل 1(a) موقعیت ویفرهای انتخاب شده را نشان می دهد که مراحل مختلف رشد کریستال را نشان می دهد. ویفر شماره 1 نشان دهنده مرحله اولیه، شماره 23 مرحله میانی و شماره 44 مرحله پایانی است. با تجزیه و تحلیل این ویفرها، محققان می توانند تغییرات توزیع مقاومت در مراحل مختلف رشد را مقایسه کنند.

شکل‌های 1(b)، 1© و 1(d) به ترتیب نقشه‌های توزیع مقاومت ویفرهای شماره 1، شماره 23 و شماره 44 را نشان می‌دهند که در آن شدت رنگ سطوح مقاومت را نشان می‌دهد، با مناطق تیره‌تر نشان دهنده موقعیت‌های سطحی با پایین‌تر مقاومت

ویفر شماره 1: وجه‌های رشد کوچک هستند و در لبه ویفر قرار دارند، با مقاومت کلی بالا که از مرکز به لبه افزایش می‌یابد.

Wafer No.23: The facets have expanded and are closer to the wafer center, with significantly lower resistivity in the facet regions and higher resistivity in the non-facet regions.

ویفر شماره 44: وجه ها همچنان به گسترش می یابند و به سمت مرکز ویفر حرکت می کنند، با مقاومت در نواحی فاست به طور قابل توجهی کمتر از مناطق دیگر.

شکل 2(a) تغییرات عرض وجوه رشد را در امتداد جهت قطر کریستال (جهت [1120]) در طول زمان نشان می دهد. وجوه از مناطق باریک تر در مراحل اولیه رشد به مناطق وسیع تر در مرحله بعدی گسترش می یابد.

شکل های 2(b)، 2© و 2(d) به ترتیب توزیع مقاومت در امتداد جهت قطر ویفرهای شماره 1، شماره 23 و شماره 44 را نشان می دهند.

ویفر شماره 1: تأثیر وجوه رشد حداقل است، با مقاومت به تدریج از مرکز به لبه افزایش می یابد.

ویفر شماره 23: وجه ها به طور قابل توجهی مقاومت را کاهش می دهند، در حالی که مناطق غیر وجهی سطوح مقاومت بالاتری را حفظ می کنند.

ویفر شماره 44: نواحی فاست مقاومت قابل توجهی کمتری نسبت به بقیه ویفر دارند و اثر وجهی روی مقاومت بارزتر می شود.

شکل‌های 3(a)، 3(b)، و 3© به ترتیب تغییرات رامان حالت LOPC را در موقعیت‌های مختلف (A، B، C، D) روی ویفرهای شماره 1، شماره 23، و شماره 44 نشان می‌دهند. ، منعکس کننده تغییرات در غلظت حامل است.

ویفر شماره 1: شیفت رامان به تدریج از مرکز (نقطه A) به لبه (نقطه C) کاهش می یابد، که نشان دهنده کاهش غلظت دوپینگ نیتروژن از مرکز به لبه است. هیچ تغییر قابل توجهی در شیفت رامان در نقطه D (منطقه وجهی) مشاهده نمی شود.

ویفرهای شماره 23 و 44: شیفت رامان در نواحی فاست (نقطه D) بالاتر است، که نشان دهنده غلظت دوپینگ نیتروژن بالاتر، مطابق با اندازه‌گیری‌های مقاومت کم است.

شکل 4(a) تغییر در غلظت حامل و گرادیان دمای شعاعی را در موقعیت های شعاعی مختلف ویفرها نشان می دهد. این نشان می دهد که غلظت حامل از مرکز به لبه کاهش می یابد، در حالی که گرادیان دما در مراحل اولیه رشد بزرگتر است و متعاقبا کاهش می یابد.

شکل 4(b) تغییر در اختلاف غلظت حامل بین مرکز وجه و مرکز ویفر با گرادیان دما (ΔT) را نشان می دهد. در مرحله اولیه رشد (ویفر شماره 1)، غلظت حامل در مرکز ویفر بیشتر از مرکز فاست است. همانطور که کریستال رشد می کند، غلظت دوپینگ نیتروژن در مناطق جنبه به تدریج از آن در مرکز فراتر می رود، با Δn تغییر از منفی به مثبت، که نشان دهنده تسلط فزاینده مکانیسم رشد وجه است.

شکل 5 تغییر مقاومت در مرکز ویفر و مرکز وجه را در طول زمان نشان می دهد. با رشد کریستال، مقاومت در مرکز ویفر از 15.5 mΩ·cm به 23.7 mΩ·cm افزایش می یابد، در حالی که مقاومت در مرکز وجه در ابتدا به mΩ·cm 22.1 افزایش می یابد و سپس به mΩ·cm 19.5 کاهش می یابد. کاهش مقاومت در مناطق جنبه با تغییرات در کسر حجمی گاز نیتروژن مرتبط است، که نشان دهنده همبستگی منفی بین غلظت دوپینگ نیتروژن و مقاومت است.

نتیجه گیری

نتایج کلیدی این مطالعه این است که گرادیان حرارتی شعاعی و رشد وجه کریستالی به طور قابل‌توجهی بر توزیع مقاومت در کریستال‌های 4H-SiC تأثیر می‌گذارد:

در مرحله اولیه رشد کریستال، گرادیان حرارتی شعاعی توزیع غلظت حامل را با مقاومت کمتر در مرکز کریستال و بالاتر در لبه ها تعیین می کند.

با رشد کریستال، غلظت دوپینگ نیتروژن در نواحی سطحی افزایش می‌یابد، مقاومت مقاومت را کاهش می‌دهد و تفاوت مقاومت بین مناطق وجهی و مرکز کریستال آشکارتر می‌شود.

یک گرادیان دمایی بحرانی شناسایی شد که انتقال کنترل توزیع مقاومت را از گرادیان حرارتی شعاعی به مکانیسم رشد وجه نشان می‌دهد.**

منبع اصلی: Xie, X., Kong, Y., Xu, L., Yang, D., & Pi, X. (2024). توزیع مقاومت الکتریکی یک کریستال نوع n 4H-SiC. مجله رشد کریستال. https://doi.org/10.1016/j.jcrysgro.2024.127892