Undersøgelsen af ​​fordelingen af ​​elektrisk resistivitet i n-type 4H-SiC-krystaller

4H-SiC, som et tredjegenerations halvledermateriale, er kendt for dets brede båndgab, høje termiske ledningsevne og fremragende kemiske og termiske stabilitet, hvilket gør det meget værdifuldt i højeffekt- og højfrekvente applikationer. Nøglefaktoren, der påvirker ydeevnen af ​​disse enheder, ligger imidlertid i fordelingen af ​​elektrisk resistivitet i 4H-SiC-krystallen, især i store krystaller, hvor ensartet resistivitet er et presserende problem under krystalvækst. Nitrogen-doping bruges til at justere resistiviteten af ​​n-type 4H-SiC, men på grund af den komplekse radiale termiske gradient og krystalvækstmønstre bliver resistivitetsfordelingen ofte ujævn.

Hvordan blev eksperimentet udført?

Eksperimentet brugte metoden Physical Vapor Transport (PVT) til at dyrke n-type 4H-SiC-krystaller med en diameter på 150 mm. Ved at justere blandingsforholdet mellem nitrogen og argongasser blev koncentrationen af ​​nitrogen-doping kontrolleret. De specifikke eksperimentelle trin omfattede:

Opretholdelse af krystalvæksttemperaturen mellem 2100°C og 2300°C og væksttrykket på 2 mbar.

Justering af den volumetriske fraktion af nitrogengas fra de første 9 % ned til 6 % og derefter tilbage op til 9 % under eksperimentet.

Skæring af den dyrkede krystal i wafere med en tykkelse på ca. 0,45 mm til resistivitetsmåling og Raman-spektroskopianalyse.

Brug af COMSOL-software til at simulere det termiske felt under krystalvækst for bedre at forstå resistivitetsfordelingen.

Hvad indebar forskningen?

Denne undersøgelse involverede dyrkning af n-type 4H-SiC-krystaller med en diameter på 150 mm ved hjælp af PVT-metoden og måling og analyse af resistivitetsfordelingen på forskellige vækststadier. Resultaterne viste, at krystallens resistivitet er påvirket af den radiale termiske gradient og krystalvækstmekanismen, der udviser forskellige egenskaber på forskellige vækststadier.

Hvad sker der i den tidlige fase af krystalvækst?

I den indledende fase af krystalvækst påvirker den radiale termiske gradient mest signifikant resistivitetsfordelingen. Resistiviteten er lavere i det centrale område af krystallen og stiger gradvist mod kanterne på grund af en større termisk gradient, der forårsager et fald i nitrogen-dopingkoncentrationen fra midten til udkanten. Denne fases nitrogen-doping er primært påvirket af temperaturgradienten, hvor bærerkoncentrationsfordeling viser klare karakteristika afhængigt af temperaturvariationer. Raman-spektroskopimålinger bekræftede, at bærerkoncentrationen er højere i midten og lavere ved kanterne, hvilket svarer til resistivitetsfordelingsresultaterne.

Hvilke ændringer sker i midtfasen af ​​krystalvækst?

Efterhånden som krystalvæksten skrider frem, udvides vækstfacetterne, og den radiale termiske gradient falder. På dette stadium, selvom den radiale termiske gradient stadig påvirker resistivitetsfordelingen, bliver indflydelsen af ​​spiralvækstmekanismen på krystalfacetterne tydelig. Resistiviteten er væsentligt lavere i facetområderne sammenlignet med ikke-facetområderne. Raman-spektroskopianalyse af wafer 23 viste, at bærerkoncentrationen er signifikant højere i facetregionerne, hvilket indikerer, at spiralvækstmekanismen fremmer øget nitrogendoping, hvilket resulterer i lavere resistivitet i disse regioner.

Hvad er kendetegnene ved det sene stadium af krystalvækst?

I de senere stadier af krystalvækst bliver spiralvækstmekanismen på facetterne dominerende, hvilket yderligere reducerer resistiviteten i facetregionerne og øger resistivitetsforskellen med krystalcentret. Analyse af wafer 44's resistivitetsfordeling afslørede, at resistiviteten i facetregionerne er signifikant lavere, svarende til højere nitrogen-doping i disse områder. Resultaterne indikerede, at med stigende krystaltykkelse overgår indflydelsen af ​​spiralvækstmekanismen på bærerkoncentrationen den radiale termiske gradient. Nitrogen-dopingkoncentrationen er relativt ensartet i ikke-facetområderne, men signifikant højere i facetregionerne, hvilket indikerer, at dopingmekanismen i facetregioner styrer bærerkoncentration og resistivitetsfordeling i det sene vækststadie.

Hvordan er temperaturgradient og nitrogendoping relateret?

Forsøgsresultaterne viste også en klar positiv sammenhæng mellem nitrogen-dopingkoncentrationen og temperaturgradienten. I det tidlige stadie er nitrogen-dopingkoncentrationen højere i midten og lavere i facetregionerne. Efterhånden som krystallen vokser, stiger nitrogen-dopingkoncentrationen i facetområderne gradvist, og til sidst overgår den i midten, hvilket fører til resistivitetsforskelle. Dette fænomen kan optimeres ved at kontrollere nitrogengas volumetriske fraktion. Numerisk simuleringsanalyse afslørede, at reduktionen i radial termisk gradient fører til en mere ensartet nitrogen-dopingkoncentration, især tydeligt i de senere vækststadier. Forsøget identificerede en kritisk temperaturgradient (ΔT), under hvilken resistivitetsfordelingen har tendens til at blive ensartet.

Hvad er mekanismen ved nitrogendoping?

Nitrogen-dopingkoncentrationen påvirkes ikke kun af temperatur og radial termisk gradient, men også af C/Si-forholdet, nitrogengas volumetriske fraktion og væksthastighed. I ikke-facetområder styres nitrogendoping hovedsageligt af temperatur og C/Si-forhold, mens i facetregioner spiller den volumetriske nitrogengas-fraktion en mere afgørende rolle. Undersøgelsen viste, at ved at justere nitrogengas volumetriske fraktion i facetområderne, kan resistiviteten effektivt reduceres, hvilket opnår højere bærerkoncentration.

Figur 1(a) viser positionerne af de udvalgte wafere, der repræsenterer forskellige vækststadier af krystallen. Wafer No.1 repræsenterer den tidlige fase, No.23 den midterste fase, og No.44 den sene fase. Ved at analysere disse wafere kan forskere sammenligne ændringer i resistivitetsfordelingen på forskellige vækststadier.

Figur 1(b), 1© og 1(d) viser henholdsvis resistivitetsfordelingskortene for wafere nr. 1, nr. 23 og nr. 44, hvor farveintensitet angiver resistivitetsniveauer, hvor mørkere områder repræsenterer facetpositioner med lavere resistivitet.

Wafer No.1: Vækstfacetterne er små og placeret ved kanten af ​​waferen med en samlet høj resistivitet, der øges fra midten til kanten.

Wafer nr. 23: Facetterne er udvidet og er tættere på waferens centrum med væsentligt lavere resistivitet i facetområderne og højere resistivitet i ikke-facetområderne.

Wafer No.44: Facetterne fortsætter med at udvide sig og bevæger sig mod waferens centrum, med resistivitet i facetområderne markant lavere end i andre områder.

Figur 2(a) viser breddevariationen af ​​vækstfacetterne langs krystaldiameterretningen ([1120]-retningen) over tid. Facetterne udvider sig fra smallere regioner i det tidlige vækststadium til bredere områder i det senere stadium.

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

Wafer nr. 1: Vækstfacetternes indflydelse er minimal, med modstandsevnen gradvist stigende fra centrum til kant.

Wafer No.23: Facetterne sænker resistiviteten markant, mens ikke-facetområderne opretholder højere resistivitetsniveauer.

Wafer nr. 44: Facetområderne har væsentlig lavere resistivitet end resten af ​​waferen, hvor faceteffekten på resistiviteten bliver mere udtalt.

Figur 3(a), 3(b) og 3© viser henholdsvis Raman-skiftene i LOPC-tilstanden målt ved forskellige positioner (A, B, C, D) på wafere nr. 1, nr. 23 og nr. 44 , hvilket afspejler ændringer i bærerkoncentration.

Wafer No.1: Raman-skiftet falder gradvist fra centrum (Punkt A) til kanten (Punkt C), hvilket indikerer en reduktion i nitrogen-dopingkoncentrationen fra centrum til kant. Ingen signifikant Raman-skifteændring observeres ved punkt D (facetregion).

Wafere nr. 23 og nr. 44: Raman-skiftet er højere i facetområderne (punkt D), hvilket indikerer højere nitrogen-dopingkoncentration, i overensstemmelse med målingerne af lav resistivitet.

Figur 4(a) viser variationen i bærerkoncentration og radial temperaturgradient ved forskellige radiale positioner af waferne. Det indikerer, at bærerkoncentrationen falder fra centrum til kant, mens temperaturgradienten er større i det tidlige vækststadium og falder efterfølgende.

Figur 4(b) illustrerer ændringen i forskellen i bærerkoncentration mellem facetcentret og wafercentret med temperaturgradienten (AT). I det tidlige vækststadium (wafer nr. 1) er bærerkoncentrationen højere ved waferens centrum end ved facetcentret. Efterhånden som krystallen vokser, overgår nitrogen-dopingkoncentrationen i facetregionerne gradvist den i midten, hvor Δn skifter fra negativ til positiv, hvilket indikerer den voksende dominans af facetvækstmekanismen.

Figur 5 viser ændringen i resistivitet i wafercentret og facetcentret over tid. Efterhånden som krystallen vokser, stiger resistiviteten ved waferens centrum fra 15,5 mΩ·cm til 23,7 mΩ·cm, mens resistiviteten ved facetcentret til at begynde med stiger til 22,1 mΩ·cm og derefter falder til 19,5 mΩ·cm. Faldet i resistivitet i facetregionerne korrelerer med ændringer i nitrogengas volumetriske fraktion, hvilket indikerer en negativ korrelation mellem nitrogendopingkoncentration og resistivitet.

Konklusioner

De vigtigste konklusioner af undersøgelsen er, at den radiale termiske gradient og krystalfacetvækst signifikant påvirker resistivitetsfordelingen i 4H-SiC-krystaller:

I det tidlige stadie af krystalvækst bestemmer den radiale termiske gradient bærerkoncentrationsfordelingen med lavere resistivitet i krystalcentret og højere ved kanterne.

Efterhånden som krystallen vokser, stiger nitrogen-dopingkoncentrationen i facetområderne, hvilket sænker resistiviteten, hvor modstandsforskellen mellem facetregioner og krystalcenter bliver mere tydelig.

En kritisk temperaturgradient blev identificeret, hvilket markerer overgangen af ​​resistivitetsfordelingskontrol fra den radiale termiske gradient til facetvækstmekanismen.**

Originalkilde: Xie, X., Kong, Y., Xu, L., Yang, D., & Pi, X. (2024). Fordeling af den elektriske resistivitet af en n-type 4H-SiC krystal. Journal of Crystal Growth. https://doi.org/10.1016/j.jcrysgro.2024.127892