Studien om fördelningen av elektrisk resistivitet i n-Type 4H-SiC-kristaller

4H-SiC, som ett tredje generationens halvledarmaterial, är känt för sitt breda bandgap, höga värmeledningsförmåga och utmärkta kemiska och termiska stabilitet, vilket gör det mycket värdefullt i högeffekts- och högfrekvensapplikationer. Nyckelfaktorn som påverkar prestandan hos dessa enheter ligger emellertid i fördelningen av elektrisk resistivitet inom 4H-SiC-kristallen, särskilt i stora kristaller där enhetlig resistivitet är ett pressande problem under kristalltillväxt. Kvävedopning används för att justera resistiviteten hos n-typ 4H-SiC, men på grund av den komplexa radiella termiska gradienten och kristalltillväxtmönstren blir resistivitetsfördelningen ofta ojämn.

Hur genomfördes experimentet?

Experimentet använde metoden Physical Vapor Transport (PVT) för att odla n-typ 4H-SiC-kristaller med en diameter på 150 mm. Genom att justera blandningsförhållandet av kväve och argongaser kontrollerades koncentrationen av kvävedopning. De specifika experimentstegen inkluderade:

Bibehåll kristalltillväxttemperaturen mellan 2100°C och 2300°C och tillväxttrycket vid 2 mbar.

Justering av den volymetriska andelen kvävgas från initiala 9 % ner till 6 % och sedan tillbaka upp till 9 % under experimentet.

Skär den odlade kristallen till skivor med en tjocklek av cirka 0,45 mm för resistivitetsmätning och Raman-spektroskopianalys.

Användning av COMSOL-programvara för att simulera det termiska fältet under kristalltillväxt för att bättre förstå resistivitetsfördelningen.

Vad innebar forskningen?

Denna studie involverade odling av n-typ 4H-SiC-kristaller med en diameter på 150 mm med hjälp av PVT-metoden och mätning och analys av resistivitetsfördelningen vid olika tillväxtstadier. Resultaten visade att resistiviteten hos kristallen påverkas av den radiella termiska gradienten och kristalltillväxtmekanismen, som uppvisar olika egenskaper i olika tillväxtstadier.

Vad händer under det tidiga skedet av kristalltillväxt?

I den inledande fasen av kristalltillväxt påverkar den radiella termiska gradienten resistivitetsfördelningen mest signifikant. Resistiviteten är lägre i det centrala området av kristallen och ökar gradvis mot kanterna, på grund av en större termisk gradient som orsakar en minskning av kvävedopningskoncentrationen från centrum till utkanten. Detta stegs kvävedopning påverkas främst av temperaturgradienten, med bärarkoncentrationsfördelning som visar tydliga egenskaper beroende på temperaturvariationer. Raman-spektroskopimätningar bekräftade att bärarkoncentrationen är högre i mitten och lägre vid kanterna, vilket motsvarar resistivitetsfördelningsresultaten.

Vilka förändringar sker i mitten av kristalltillväxten?

När kristalltillväxten fortskrider expanderar tillväxtaspekterna och den radiella termiska gradienten minskar. Under detta skede, även om den radiella termiska gradienten fortfarande påverkar resistivitetsfördelningen, blir inverkan av spiraltillväxtmekanismen på kristallfasetterna uppenbar. Resistiviteten är avsevärt lägre i facettregionerna jämfört med icke-facettregionerna. Raman-spektroskopianalys av wafer 23 visade att bärarkoncentrationen är signifikant högre i facettregionerna, vilket indikerar att spiraltillväxtmekanismen främjar ökad kvävedopning, vilket resulterar i lägre resistivitet i dessa regioner.

Vad kännetecknar det sena stadiet av kristalltillväxt?

I de senare stadierna av kristalltillväxt blir spiraltillväxtmekanismen på fasetterna dominerande, vilket ytterligare minskar resistiviteten i facettregionerna och ökar resistivitetsskillnaden med kristallcentrumet. Analys av wafer 44:s resistivitetsfördelning visade att resistiviteten i facettregionerna är betydligt lägre, vilket motsvarar högre kvävedopning i dessa områden. Resultaten indikerade att med ökande kristalltjocklek överstiger inverkan av spiraltillväxtmekanismen på bärarkoncentrationen den för den radiella termiska gradienten. Kvävedopningskoncentrationen är relativt enhetlig i icke-facettregionerna men signifikant högre i facettregionerna, vilket indikerar att dopningsmekanismen i facettregioner styr bärarkoncentration och resistivitetsfördelning i det sena tillväxtstadiet.

Hur är temperaturgradient och kvävedopning relaterade?

Experimentresultaten visade också en tydlig positiv korrelation mellan kvävedopningskoncentration och temperaturgradienten. I det tidiga skedet är kvävedopningskoncentrationen högre i centrum och lägre i facettregionerna. När kristallen växer, ökar kvävedopningskoncentrationen i facettregionerna gradvis, och överträffar så småningom den i mitten, vilket leder till resistivitetsskillnader. Detta fenomen kan optimeras genom att kontrollera kvävgasvolymfraktionen. Numerisk simuleringsanalys visade att minskningen av radiell termisk gradient leder till en mer enhetlig kvävedopningskoncentration, särskilt tydligt i de senare tillväxtstadierna. Experimentet identifierade en kritisk temperaturgradient (ΔT) under vilken resistivitetsfördelningen tenderar att bli enhetlig.

Vad är mekanismen för kvävedopning?

Kvävedopningskoncentrationen påverkas inte bara av temperatur och radiell termisk gradient utan också av C/Si-förhållandet, kvävgasvolymfraktion och tillväxthastighet. I icke-facettregioner styrs kvävedopningen huvudsakligen av temperatur och C/Si-förhållande, medan i facettregioner spelar kvävgasvolymfraktionen en mer avgörande roll. Studien visade att genom att justera kvävgasens volymetriska fraktion i facettregionerna kan resistiviteten effektivt reduceras, vilket uppnår högre bärarkoncentration.

Figur 1(a) visar positionerna för de utvalda skivorna, representerande olika tillväxtstadier av kristallen. Wafer nr 1 representerar det tidiga stadiet, nr 23 mittsteget och nr 44 det sena stadiet. Genom att analysera dessa wafers kan forskare jämföra resistivitetsfördelningsförändringarna vid olika tillväxtstadier.

Figurerna 1(b), 1© och 1(d) visar resistivitetsfördelningskartorna för wafers nr. 1, nr. 23 och nr. 44, där färgintensitet indikerar resistivitetsnivåer, med mörkare områden som representerar facettpositioner med lägre resistivitet.

Wafer No.1: Tillväxtaspekterna är små och placerade vid kanten av wafern, med övergripande hög resistivitet som ökar från mitten till kanten.

Wafer nr.23: Fasetterna har expanderat och ligger närmare waferns centrum, med betydligt lägre resistivitet i facettregionerna och högre resistivitet i icke-facetregionerna.

Wafer No.44: Fasetterna fortsätter att expandera och rör sig mot waferns centrum, med resistiviteten i facettområdena markant lägre än i andra områden.

Figur 2(a) visar breddvariationen av tillväxtaspekterna längs kristalldiameterns riktning ([1120]-riktningen) över tiden. Fasetterna expanderar från smalare regioner i det tidiga tillväxtstadiet till bredare områden i senare skede.

Figurerna 2(b), 2© och 2(d) visar resistivitetsfördelningen längs diameterriktningen för wafers nr. 1, nr. 23 respektive nr. 44.

Wafer No.1: Inverkan av tillväxtaspekterna är minimal, med resistiviteten som gradvis ökar från mitten till kanten.

Wafer No.23: Fasetterna sänker resistiviteten avsevärt, medan icke-facetregionerna bibehåller högre resistivitetsnivåer.

Wafer nr 44: Fasettregionerna har betydligt lägre resistivitet än resten av wafern, med facetteffekten på resistiviteten som blir mer uttalad.

Figurerna 3(a), 3(b) respektive 3© visar Raman-skiften för LOPC-moden mätta vid olika positioner (A, B, C, D) på wafers nr. 1, nr. 23 och nr. 44 , vilket återspeglar förändringar i bärarkoncentration.

Wafer No.1: Raman-skiftet minskar gradvis från mitten (Punkt A) till kanten (Punkt C), vilket indikerar en minskning av kvävedopningskoncentrationen från mitten till kanten. Ingen signifikant Raman-skiftförändring observeras vid punkt D (facettregion).

Wafers No.23 och No.44: Raman-skiftet är högre i facettregionerna (Punkt D), vilket indikerar högre kvävedopningskoncentration, i överensstämmelse med de låga resistivitetsmätningarna.

Figur 4(a) visar variationen i bärarkoncentration och radiell temperaturgradient vid olika radiella positioner av skivorna. Det indikerar att bärarkoncentrationen minskar från centrum till kant, medan temperaturgradienten är större i det tidiga tillväxtstadiet och minskar därefter.

Figur 4(b) illustrerar förändringen i skillnaden i bärarkoncentration mellan facettcentrum och wafercentrum med temperaturgradienten (AT). I det tidiga tillväxtstadiet (Wafer No.1) är bärarkoncentrationen högre vid waferns centrum än vid facettcentret. När kristallen växer överstiger kvävedopningskoncentrationen i facettregionerna gradvis den i centrum, med Δn som ändras från negativ till positiv, vilket indikerar den växande dominansen av facetttillväxtmekanismen.

Figur 5 visar förändringen i resistivitet vid skivans centrum och facettcentrum över tiden. När kristallen växer ökar resistiviteten vid skivans centrum från 15,5 mΩ·cm till 23,7 mΩ·cm, medan resistiviteten vid facettcentrum ökar initialt till 22,1 mΩ·cm och sedan minskar till 19,5 mΩ·cm. Nedgången i resistivitet i facettregionerna korrelerar med förändringar i kvävgas volymfraktion, vilket indikerar en negativ korrelation mellan kvävedopningskoncentration och resistivitet.

Slutsatser

De viktigaste slutsatserna av studien är att den radiella termiska gradienten och kristallfasetttillväxten signifikant påverkar resistivitetsfördelningen i 4H-SiC-kristaller:

I det tidiga skedet av kristalltillväxt bestämmer den radiella termiska gradienten bärarkoncentrationsfördelningen, med lägre resistivitet i kristallcentrumet och högre vid kanterna.

När kristallen växer, ökar kvävedopningskoncentrationen i facettregionerna, vilket sänker resistiviteten, varvid resistivitetsskillnaden mellan facettregioner och kristallcentrum blir mer uppenbar.

En kritisk temperaturgradient identifierades, vilket markerar övergången av resistivitetsfördelningskontroll från den radiella termiska gradienten till facetttillväxtmekanismen.**

Ursprunglig källa: Xie, X., Kong, Y., Xu, L., Yang, D., & Pi, X. (2024). Fördelning av den elektriska resistiviteten för en n-typ 4H-SiC-kristall. Journal of Crystal Growth. https://doi.org/10.1016/j.jcrysgro.2024.127892