N-mota 4H-SiC kristaletan erresistentzia elektrikoaren banaketari buruzko azterketa

4H-SiC, hirugarren belaunaldiko material erdieroale gisa, ezaguna da bere banda zabalagatik, eroankortasun termiko handiagatik eta egonkortasun kimiko eta termiko bikainagatik, eta oso baliotsua da potentzia handiko eta maiztasun handiko aplikazioetan. Hala ere, gailu hauen errendimenduan eragiten duen faktorea 4H-SiC kristalaren barruan erresistibitate elektrikoaren banaketan datza, batez ere tamaina handiko kristaletan, non erresistentzia uniformea ​​kristalen hazkuntzan arazo larria den. Nitrogenoaren dopinga n-motako 4H-SiC-ren erresistentzia doitzeko erabiltzen da, baina gradiente termiko erradial konplexuaren eta kristalen hazkuntza-ereduen ondorioz, erresistentzia-banaketa irregularra bihurtzen da askotan.

Nola egin zen esperimentua?

Esperimentuak Physical Vapor Transport (PVT) metodoa erabili zuen 150 mm-ko diametroa duten n motako 4H-SiC kristalak hazteko. Nitrogeno eta argon gasen nahasketa-erlazioa egokituz, nitrogeno-dopinaren kontzentrazioa kontrolatu zen. Pauso esperimental zehatzak honako hauek izan ziren:

Kristalaren hazkuntza-tenperatura 2100°C eta 2300°C artean mantentzea eta hazkuntza-presioa 2 mbar-en.

Nitrogeno gasaren frakzio bolumetrikoa hasierako %9tik %6ra doitzea eta gero %9ra igotzea esperimentuan zehar.

Hazitako kristala gutxi gorabehera 0,45 mm-ko lodiera duten obleetan moztea erresistentzia neurtzeko eta Raman espektroskopia aztertzeko.

COMSOL softwarea erabiliz, kristalen hazkuntzan eremu termikoa simulatzeko erresistentzia-banaketa hobeto ulertzeko.

Zer inplikatu zuen ikerketak?

Azterketa honetan 150 mm-ko diametroa duten n motako 4H-SiC kristalak hazi ziren PVT metodoa erabiliz eta hazkuntza-fase ezberdinetan erresistibitatearen banaketa neurtu eta aztertuz. Emaitzek erakutsi zuten kristalaren erresistibitatean gradiente termiko erradialak eta kristalen hazkuntza-mekanismoak eragina duela, hazkunde-fase desberdinetan ezaugarri desberdinak erakutsiz.

Zer gertatzen da Kristalaren hazkundearen hasierako fasean?

Kristalen hazkuntzaren hasierako fasean, gradiente termiko erradialak eragiten du nabarmenena erresistibitatearen banaketan. Erresistibitatea txikiagoa da kristalaren erdiko eskualdean eta pixkanaka handitzen doa ertzetara, gradiente termiko handiagoak nitrogeno-dopinaren kontzentrazioa gutxitzea eragiten duelako erdialdetik kanpoaldera. Etapa honetako nitrogeno-dopinak tenperatura-gradienteak eragiten du batez ere, eta garraiolarien kontzentrazio-banaketa ezaugarri argiak erakusten ditu tenperatura-aldaketen arabera. Raman espektroskopiako neurketek baieztatu zuten eramaile-kontzentrazioa erdialdean handiagoa dela eta ertzetan txikiagoa dela, erresistibitatearen banaketaren emaitzekin bat datorrena.

Zer aldaketa gertatzen dira Kristalen Hazkundearen erdialdean?

Kristalen hazkuntza aurrera doan heinean, hazkuntza alderdiak hedatu egiten dira eta gradiente termiko erradiala gutxitzen da. Etapa honetan, gradiente termiko erradialak oraindik erresistibitatearen banaketari eragiten dion arren, espiral-hazkuntza-mekanismoaren eragina kristal-fazetan nabaritzen da. Erresistibitatea nabarmen txikiagoa da fazeta-eskualdeetan, fazetarik gabeko eskualdeekin alderatuta. 23. oblearen Raman espektroskopia analisiak erakutsi zuen eramailearen kontzentrazioa nabarmen handiagoa dela fazeta-eskualdeetan, hazkuntza espiral mekanismoak nitrogeno-dopina areagotzea sustatzen duela adieraziz, eskualde horietan erresistentzia txikiagoa dela.

Zeintzuk dira Kristalaren Hazkundearen azken fasearen ezaugarriak?

Kristalaren hazkuntzaren azken faseetan, fazetetako hazkuntza-mekanismoa nagusi bihurtzen da, fazeta-eskualdeetako erresistentzia gehiago murriztuz eta kristal-zentroarekiko erresistentzia-aldea handituz. Wafer 44-ren erresistibitatearen banaketaren analisiak agerian utzi zuen fazeta-eskualdeetan erresistibitatea nabarmen txikiagoa dela, eremu horietan nitrogeno-doping handiagoari dagokiona. Emaitzek adierazi zuten kristalen lodiera handituz gero, hazkuntza espiral mekanismoak garraiolarien kontzentrazioan duen eragina gradiente termiko erradialarena gainditzen duela. Nitrogeno-dopinaren kontzentrazioa nahiko uniformea ​​da fazetarik gabeko eskualdeetan, baina nabarmen handiagoa da fazeta-eskualdeetan, eta horrek adierazten du fazeta-eskualdeetako dopin-mekanismoak garraiatzaileen kontzentrazioa eta erresistibitatearen banaketa gobernatzen dituela hazkunde amaierako fasean.

Nola lotzen dira Tenperatura Gradientea eta Nitrogenoaren Dopina?

Esperimentuen emaitzek nitrogeno-doping-kontzentrazioa eta tenperatura-gradientearen arteko korrelazio positibo argia ere erakutsi zuten. Hasierako fasean, nitrogeno-dopinaren kontzentrazioa handiagoa da erdialdean eta baxuagoa da fazeta-eskualdeetan. Kristala hazten den heinean, fazeta-eskualdeetan nitrogeno-doping-kontzentrazioa handitzen doa pixkanaka, azkenean erdialdean dagoena gainditzen du, erresistentzia-desberdintasunak eraginez. Fenomeno hori optimizatu daiteke nitrogeno gasaren frakzio bolumetrikoa kontrolatuz. Zenbakizko simulazio-analisiak agerian utzi zuen gradiente termiko erradialaren murrizketak nitrogeno-doping-kontzentrazio uniformeagoa dakarrela, batez ere geroko hazkunde-etapetan nabaria. Esperimentuak tenperatura-gradiente kritiko bat (ΔT) identifikatu zuen, zeinaren azpian erresistentzia-banaketa uniforme bihurtzeko joera duena.

Zein da Nitrogenoaren Dopinaren Mekanismoa?

Nitrogenoaren dopinaren kontzentrazioa tenperaturak eta gradiente termiko erradialak ez ezik, C/Si erlazioak, nitrogeno gasaren frakzio bolumetrikoak eta hazkunde-tasa ere eragiten du. Fazetarik gabeko eskualdeetan, nitrogeno-dopina tenperaturaren eta C/Si erlazioaren arabera kontrolatzen da batez ere, eta fazeta-eskualdeetan, berriz, nitrogeno gasaren frakzio bolumetrikoak paper erabakigarriagoa du. Azterketak erakutsi zuen nitrogeno gasaren frakzio bolumetrikoa egokituz erresistibitatea modu eraginkorrean murriztu daitekeela, eramaile-kontzentrazio handiagoa lortuz.

1 (a) irudiak aukeratutako obleen posizioak irudikatzen ditu, kristalaren hazkuntza-etapa desberdinak irudikatuz. Wafer No.1 hasierako etapa adierazten du, No.23 erdiko etapa eta No.44 azken etapa. Oblea hauek aztertuta, ikertzaileek hazkunde-fase ezberdinetan erresistentzia-banaketa-aldaketak aldera ditzakete.

1(b), 1© eta 1(d) irudiek, hurrenez hurren, 1, 23 eta 44 zenbakiko obleen erresistibitate-banaketa-mapak erakusten dituzte, non kolore-intentsitateak erresistentzia-mailak adierazten dituen, eskualde ilunagoak diren fazeta posizioak adierazten dituztenak. erresistentzia.

Wafer No.1: Hazkuntza-fazak txikiak dira eta oblearen ertzean kokatzen dira, orokorrean erresistibitate handikoa, erditik ertzera handitzen dena.

Wafer No.23: Fazetak zabaldu egin dira eta obleen zentrotik gertuago daude, erresistentzia nabarmen txikiagoa da fazeta-eskualdeetan eta erresistentzia handiagoa da fazeta-eskualdeetan.

44. zk.ko oblea: facetak hedatzen jarraitzen dute eta oblearen erdigunerantz mugitzen jarraitzen dute, fazeta-eskualdeetan erresistentzia beste eremu batzuetan baino nabarmen baxuagoa izanik.

2. irudiak (a) kristalen diametroaren norabidean ([1120] norabidean) hazkuntza-fazeten zabaleraren aldakuntza erakusten du denboran zehar. Alderdiak hazkuntza-fasean eskualde estuagoetatik geroko fasean eremu zabalagoetara zabaltzen dira.

2(b), 2© eta 2(d) irudiek 1, 23 eta 44 zenbakidun obleen diametroaren norabidean erresistibitatearen banaketa erakusten dute.

Wafer No.1: Hazkunde-fazeten eragina gutxienekoa da, erresistentzia pixkanaka handituz zentrotik ertzera.

Wafer No.23: Fazetek nabarmen murrizten dute erresistentzia, eta fazetarik gabeko eskualdeek erresistentzia maila altuagoak mantentzen dituzte.

Wafer No.44: Fazeta-eskualdeek gainontzeko obleak baino erresistentzia nabarmen txikiagoa dute, erresistentzia-efektua nabarmenagoa izanik.

3(a), 3(b) eta 3© irudiek, hurrenez hurren, LOPC moduaren Raman desplazamenduak erakusten dituzte posizio desberdinetan (A, B, C, D) 1, 23 eta 44 zenbakiko obleetan neurtuta. , garraiolarien kontzentrazioan izandako aldaketak islatuz.

Wafer No.1: Raman shift pixkanaka-pixkanaka gutxitzen da zentrotik (A puntua) ertzera (C puntua), nitrogeno-dopin-kontzentrazioa erdigunetik ertzera murrizten dela adieraziz. D puntuan (fazeta-eskualdea) ez da Raman desplazamendu aldaketa nabarmenik ikusten.

23 eta 44 zenbakiko obleak: Raman desplazamendua handiagoa da fazeta-eskualdeetan (D puntua), nitrogeno-doping-kontzentrazio handiagoa adierazten du, erresistentzia baxuko neurketekin bat.

4 (a) irudiak garraiatzaileen kontzentrazioan eta tenperatura-gradiente erradialaren aldakuntza erakusten du obleen posizio erradial desberdinetan. Eramaile-kontzentrazioa erdialdetik ertzera jaisten dela adierazten du, tenperatura-gradientea hazkuntza-fasean handiagoa dela eta gerora murrizten den bitartean.

4 (b) irudiak eramailearen kontzentrazio-diferentziaren aldaketa erakusten du fazeta-zentroaren eta oblearen zentroaren artean tenperatura-gradientearekin (ΔT). Hazkuntza-fasean (Wafer No.1), eramaile-kontzentrazioa handiagoa da oblearen zentroan fazeta-zentroan baino. Kristala hazten den heinean, fazeta-eskualdeetan nitrogeno-doping-kontzentrazioa erdialdean dagoena gainditzen du pixkanaka, Δn negatibotik positibora aldatzen delarik, fazeta hazteko mekanismoaren nagusitasuna gero eta handiagoa dela adieraziz.

5. irudiak erresistibitatearen aldaketa erakusten du obleen zentroan eta fazeten zentroan denboran zehar. Kristala hazten den heinean, oblearen zentroko erresistentzia 15,5 mΩ·cm-tik 23,7 mΩ·cm-ra handitzen da, eta fazeta-zentroan erresistentzia hasieran 22,1 mΩ·cm-ra igotzen da eta gero 19,5 mΩ·cm-ra jaisten da. Fazeta-eskualdeetako erresistibitatearen beherakada nitrogeno gasaren frakzio bolumetrikoaren aldaketekin erlazionatzen da, nitrogeno-doping-kontzentrazioa eta erresistibitatearen arteko korrelazio negatiboa adierazten du.

Ondorioak

Ikerketaren ondorio nagusiak hauek dira: gradiente termiko erradialak eta kristalen hazkuntzak 4H-SiC kristalen erresistibitatearen banaketan eragin handia duela:

Kristalaren hazkuntzaren hasierako fasean, gradiente termiko erradialak garraiatzaileen kontzentrazio banaketa zehazten du, kristalen zentroan erresistentzia txikiagoarekin eta ertzetan altuagoa izanik.

Kristala hazten den heinean, nitrogeno-dopinaren kontzentrazioa handitzen da fazeta-eskualdeetan, erresistentzia gutxituz, fazeta-eskualdeen eta kristal-zentroaren arteko erresistibitate-aldea agerikoa denez.

Tenperatura-gradiente kritikoa identifikatu zen, erresistentzia-banaketaren kontrolaren trantsizioa markatuz gradiente termiko erradialetik hazkuntza-mekanismorako fazeta.**

Jatorrizko iturria: Xie, X., Kong, Y., Xu, L., Yang, D. eta Pi, X. (2024). n motako 4H-SiC kristal baten erresistibitate elektrikoaren banaketa. Crystal Growth aldizkaria. https://doi.org/10.1016/j.jcrysgro.2024.127892