De studie naar de verdeling van elektrische weerstand in n-type 4H-SiC-kristallen

4H-SiC, als halfgeleidermateriaal van de derde generatie, staat bekend om zijn grote bandafstand, hoge thermische geleidbaarheid en uitstekende chemische en thermische stabiliteit, waardoor het zeer waardevol is in toepassingen met hoog vermogen en hoge frequentie. De belangrijkste factor die de prestaties van deze apparaten beïnvloedt, ligt echter in de verdeling van de elektrische weerstand binnen het 4H-SiC-kristal, vooral in kristallen van grote afmetingen, waar uniforme weerstand een dringend probleem is tijdens kristalgroei. Stikstofdotering wordt gebruikt om de soortelijke weerstand van n-type 4H-SiC aan te passen, maar vanwege de complexe radiale thermische gradiënt en kristalgroeipatronen wordt de weerstandsverdeling vaak ongelijkmatig.

Hoe werd het experiment uitgevoerd?

Het experiment maakte gebruik van de Physical Vapor Transport (PVT) -methode om n-type 4H-SiC-kristallen met een diameter van 150 mm te laten groeien. Door het aanpassen van de mengverhouding van stikstof- en argongassen werd de concentratie van stikstofdotering gecontroleerd. De specifieke experimentele stappen omvatten:

Het handhaven van de kristalgroeitemperatuur tussen 2100°C en 2300°C en de groeidruk op 2 mbar.

Het aanpassen van de volumetrische fractie stikstofgas van aanvankelijk 9% naar 6% en vervolgens weer naar 9% tijdens het experiment.

Het snijden van het gegroeide kristal in wafels van ongeveer 0,45 mm dik voor weerstandsmeting en Raman-spectroscopie-analyse.

Gebruik COMSOL-software om het thermische veld tijdens kristalgroei te simuleren om de weerstandsverdeling beter te begrijpen.

Wat hield het onderzoek in?

Deze studie omvatte het kweken van n-type 4H-SiC-kristallen met een diameter van 150 mm met behulp van de PVT-methode en het meten en analyseren van de weerstandsverdeling in verschillende groeistadia. De resultaten toonden aan dat de soortelijke weerstand van het kristal wordt beïnvloed door de radiale thermische gradiënt en het kristalgroeimechanisme, dat verschillende kenmerken vertoont in verschillende groeistadia.

Wat gebeurt er tijdens het vroege stadium van kristalgroei?

In de beginfase van de kristalgroei beïnvloedt de radiale thermische gradiënt de weerstandsverdeling het meest significant. De soortelijke weerstand is lager in het centrale gebied van het kristal en neemt geleidelijk toe naar de randen toe, als gevolg van een grotere thermische gradiënt die een afname van de stikstofdoteringsconcentratie van het midden naar de buitenwijken veroorzaakt. De stikstofdotering in deze fase wordt voornamelijk beïnvloed door de temperatuurgradiënt, waarbij de verdeling van de dragerconcentratie duidelijke kenmerken vertoont, afhankelijk van temperatuurvariaties. Raman-spectroscopiemetingen bevestigden dat de dragerconcentratie hoger is in het midden en lager aan de randen, wat overeenkomt met de resultaten van de weerstandsverdeling.

Welke veranderingen vinden plaats in het middenstadium van de kristalgroei?

Naarmate de kristalgroei vordert, breiden de groeifacetten zich uit en neemt de radiale thermische gradiënt af. Tijdens deze fase wordt, hoewel de radiale thermische gradiënt nog steeds de weerstandsverdeling beïnvloedt, de invloed van het spiraalvormige groeimechanisme op de kristalfacetten duidelijk. De soortelijke weerstand is aanzienlijk lager in de facetgebieden vergeleken met de niet-facetgebieden. Raman-spectroscopie-analyse van wafel 23 toonde aan dat de dragerconcentratie aanzienlijk hoger is in de facetgebieden, wat aangeeft dat het spiraalvormige groeimechanisme verhoogde stikstofdotering bevordert, resulterend in een lagere weerstand in deze gebieden.

Wat zijn de kenmerken van het late stadium van kristalgroei?

In de latere stadia van de kristalgroei wordt het spiraalvormige groeimechanisme op de facetten dominant, waardoor de weerstand in de facetgebieden verder wordt verminderd en het weerstandsverschil met het kristalcentrum toeneemt. Analyse van de weerstandsverdeling van wafer 44 onthulde dat de weerstand in de facetgebieden aanzienlijk lager is, wat overeenkomt met een hogere stikstofdotering in deze gebieden. De resultaten gaven aan dat bij toenemende kristaldikte de invloed van het spiraalvormige groeimechanisme op de dragerconcentratie groter is dan die van de radiale thermische gradiënt. De stikstofdoteringsconcentratie is relatief uniform in de niet-facetgebieden, maar aanzienlijk hoger in de facetgebieden, wat aangeeft dat het doteringsmechanisme in facetgebieden de dragerconcentratie en de weerstandsverdeling in de late groeifase regelt.

Hoe zijn temperatuurgradiënt en stikstofdoping gerelateerd?

De experimentresultaten lieten ook een duidelijke positieve correlatie zien tussen de stikstofdoteringsconcentratie en de temperatuurgradiënt. In het vroege stadium is de stikstofdopingconcentratie hoger in het midden en lager in de facetgebieden. Naarmate het kristal groeit, neemt de stikstofdoteringsconcentratie in de facetgebieden geleidelijk toe, en overtreft uiteindelijk die in het centrum, wat leidt tot verschillen in weerstandsvermogen. Dit fenomeen kan worden geoptimaliseerd door de volumetrische fractie van stikstofgas te regelen. Numerieke simulatieanalyse onthulde dat de vermindering van de radiale thermische gradiënt leidt tot een meer uniforme stikstofdoteringsconcentratie, vooral duidelijk in de latere groeifasen. Het experiment identificeerde een kritische temperatuurgradiënt (ΔT) waaronder de weerstandsverdeling de neiging heeft uniform te worden.

Wat is het mechanisme van stikstofdoping?

De stikstofdoteringsconcentratie wordt niet alleen beïnvloed door de temperatuur en de radiale thermische gradiënt, maar ook door de C/Si-verhouding, de volumetrische fractie van stikstofgas en de groeisnelheid. In niet-facetgebieden wordt de stikstofdotering voornamelijk bepaald door de temperatuur en de C/Si-verhouding, terwijl in facetgebieden de volumetrische fractie van stikstofgas een crucialere rol speelt. Het onderzoek toonde aan dat door het aanpassen van de volumetrische fractie van stikstofgas in de facetgebieden de weerstand effectief kan worden verminderd, waardoor een hogere dragerconcentratie wordt bereikt.

Figuur 1(a) toont de posities van de geselecteerde wafels, die verschillende groeistadia van het kristal vertegenwoordigen. Wafer nr. 1 vertegenwoordigt het vroege stadium, nr. 23 het middenstadium en nr. 44 het late stadium. Door deze wafels te analyseren, kunnen onderzoekers de veranderingen in de weerstandsverdeling in verschillende groeistadia vergelijken.

Figuren 1(b), 1© en 1(d) tonen respectievelijk de weerstandsverdelingskaarten van wafers nr. 1, nr. 23 en nr. 44, waarbij de kleurintensiteit de weerstandsniveaus aangeeft, waarbij donkere gebieden facetposities met lagere weerstand.

Wafer nr. 1: De groeifacetten zijn klein en bevinden zich aan de rand van de wafer, met een algehele hoge weerstand die toeneemt van het midden naar de rand.

Wafer nr. 23: De facetten zijn uitgezet en bevinden zich dichter bij het wafelcentrum, met een aanzienlijk lagere weerstand in de facetgebieden en een hogere weerstand in de niet-facetgebieden.

Wafer nr. 44: De facetten blijven uitzetten en bewegen naar het midden van de wafel, waarbij de soortelijke weerstand in de facetgebieden aanzienlijk lager is dan in andere gebieden.

Figuur 2(a) toont de breedtevariatie van de groeifacetten langs de kristaldiameterrichting ([1120]-richting) in de loop van de tijd. De facetten breiden zich uit van smallere gebieden in de vroege groeifase naar bredere gebieden in de latere fase.

Figuren 2(b), 2© en 2(d) tonen de weerstandsverdeling langs de diameterrichting voor respectievelijk wafels nr. 1, nr. 23 en nr. 44.

Wafer nr. 1: De invloed van de groeifacetten is minimaal, waarbij de weerstand geleidelijk toeneemt van het midden tot de rand.

Wafer nr. 23: De facetten verlagen de soortelijke weerstand aanzienlijk, terwijl de niet-facetgebieden hogere weerstandsniveaus behouden.

Wafer nr. 44: De facetgebieden hebben een aanzienlijk lagere soortelijke weerstand dan de rest van de wafer, waarbij het faceteffect op de soortelijke weerstand duidelijker wordt.

Figuren 3(a), 3(b) en 3© tonen respectievelijk de Raman-verschuivingen van de LOPC-modus gemeten op verschillende posities (A, B, C, D) op wafers nr. 1, nr. 23 en nr. 44 , wat veranderingen in de dragerconcentratie weerspiegelt.

Wafer nr. 1: De Raman-verschuiving neemt geleidelijk af van het midden (punt A) naar de rand (punt C), wat wijst op een vermindering van de stikstofdoteringsconcentratie van midden tot rand. Er wordt geen significante verandering in de Ramanverschuiving waargenomen op punt D (facetgebied).

Wafers nr. 23 en nr. 44: De Raman-verschuiving is hoger in de facetgebieden (punt D), wat duidt op een hogere stikstofdoteringsconcentratie, consistent met de metingen van lage weerstand.

Figuur 4(a) toont de variatie in dragerconcentratie en radiale temperatuurgradiënt op verschillende radiale posities van de wafels. Het geeft aan dat de dragerconcentratie afneemt van het midden tot de rand, terwijl de temperatuurgradiënt groter is in de vroege groeifase en vervolgens afneemt.

Figuur 4(b) illustreert de verandering in het verschil in dragerconcentratie tussen het facetcentrum en het wafercentrum met de temperatuurgradiënt (AT). In de vroege groeifase (wafer nr. 1) is de dragerconcentratie hoger in het midden van de wafel dan in het facetcentrum. Naarmate het kristal groeit, overtreft de stikstofdoteringsconcentratie in de facetgebieden geleidelijk die in het centrum, waarbij Δn verandert van negatief naar positief, wat wijst op de groeiende dominantie van het facetgroeimechanisme.

Figuur 5 toont de verandering in soortelijke weerstand in het midden van de wafel en het facetcentrum in de loop van de tijd. Naarmate het kristal groeit, neemt de weerstand in het midden van de wafel toe van 15,5 mΩ·cm tot 23,7 mΩ·cm, terwijl de weerstand in het facetcentrum aanvankelijk toeneemt tot 22,1 mΩ·cm en vervolgens afneemt tot 19,5 mΩ·cm. De afname van de soortelijke weerstand in de facetgebieden correleert met veranderingen in de volumetrische fractie van stikstofgas, wat wijst op een negatieve correlatie tussen de stikstofdoteringsconcentratie en de soortelijke weerstand.

Conclusies

De belangrijkste conclusies van het onderzoek zijn dat de radiale thermische gradiënt en de kristalfacetgroei een aanzienlijke invloed hebben op de weerstandsverdeling in 4H-SiC-kristallen:

In het vroege stadium van de kristalgroei bepaalt de radiale thermische gradiënt de verdeling van de dragerconcentratie, met een lagere soortelijke weerstand in het kristalcentrum en hoger aan de randen.

Naarmate het kristal groeit, neemt de stikstofdoteringsconcentratie in de facetgebieden toe, waardoor de weerstand afneemt, waarbij het verschil in weerstand tussen de facetgebieden en het kristalcentrum duidelijker wordt.

Er werd een kritische temperatuurgradiënt geïdentificeerd, die de overgang markeerde van de controle van de weerstandsverdeling van de radiale thermische gradiënt naar het facetgroeimechanisme.**

Originele bron: Xie, X., Kong, Y., Xu, L., Yang, D., & Pi, X. (2024). Verdeling van de elektrische weerstand van een n-type 4H-SiC-kristal. Tijdschrift voor kristalgroei. https://doi.org/10.1016/j.jcrysgro.2024.127892