n-प्रकार 4H-SiC क्रिस्टलहरूमा विद्युतीय प्रतिरोधात्मकताको वितरणमा अध्ययन

4H-SiC, तेस्रो पुस्ताको अर्धचालक सामग्रीको रूपमा, यसको फराकिलो ब्यान्डग्याप, उच्च थर्मल चालकता, र उत्कृष्ट रासायनिक र थर्मल स्थिरताका लागि प्रख्यात छ, जसले यसलाई उच्च-शक्ति र उच्च-फ्रिक्वेन्सी अनुप्रयोगहरूमा अत्यधिक मूल्यवान बनाउँछ। जे होस्, यी यन्त्रहरूको प्रदर्शनलाई असर गर्ने मुख्य कारक 4H-SiC क्रिस्टल भित्र विद्युतीय प्रतिरोधात्मकताको वितरणमा निहित छ, विशेष गरी ठूला आकारका क्रिस्टलहरूमा जहाँ क्रिस्टल वृद्धिको समयमा एकसमान प्रतिरोधात्मकता दबाबको मुद्दा हो। नाइट्रोजन डोपिङ n-type 4H-SiC को प्रतिरोधात्मकता समायोजन गर्न प्रयोग गरिन्छ, तर जटिल रेडियल थर्मल ढाँचा र क्रिस्टल वृद्धि ढाँचाको कारण, प्रतिरोधी वितरण अक्सर असमान हुन्छ।

प्रयोग कसरी गरिएको थियो?

प्रयोगले 150 मिमी व्यासको एन-टाइप 4H-SiC क्रिस्टलहरू बढाउन भौतिक भाप परिवहन (PVT) विधि प्रयोग गर्‍यो। नाइट्रोजन र आर्गन ग्यासहरूको मिश्रण अनुपात समायोजन गरेर, नाइट्रोजन डोपिङको एकाग्रता नियन्त्रण गरिएको थियो। विशिष्ट प्रयोगात्मक चरणहरू समावेश छन्:

2100°C र 2300°C को बीचमा क्रिस्टल वृद्धि तापमान र 2 mbar मा वृद्धि दबाब कायम गर्दै।

नाइट्रोजन ग्यासको भोल्युमेट्रिक अंशलाई प्रारम्भिक 9% बाट 6% सम्म समायोजन गर्दै र त्यसपछि प्रयोगको क्रममा 9% सम्म ब्याक अप गर्नुहोस्।

प्रतिरोधात्मकता मापन र रमन स्पेक्ट्रोस्कोपी विश्लेषणको लागि लगभग 0.45 मिमी बाक्लो वेफर्समा बढेको क्रिस्टल काट्नुहोस्।

प्रतिरोधात्मकता वितरणलाई राम्रोसँग बुझ्नको लागि क्रिस्टल वृद्धिको समयमा थर्मल फिल्डको अनुकरण गर्न COMSOL सफ्टवेयर प्रयोग गर्दै।

अनुसन्धानमा के समावेश थियो?

यस अध्ययनमा PVT विधि प्रयोग गरेर 150 मिमी व्यासको एन-टाइप 4H-SiC क्रिस्टलहरू उब्जाउने र विभिन्न वृद्धि चरणहरूमा प्रतिरोधात्मकता वितरणको मापन र विश्लेषण समावेश थियो। नतिजाहरूले देखाए कि क्रिस्टलको प्रतिरोधात्मकता रेडियल थर्मल ढाँचा र क्रिस्टल वृद्धि संयन्त्रबाट प्रभावित हुन्छ, विभिन्न वृद्धि चरणहरूमा विभिन्न विशेषताहरू प्रदर्शन गर्दै।

क्रिस्टल विकासको प्रारम्भिक चरणमा के हुन्छ?

क्रिस्टल वृद्धिको प्रारम्भिक चरणमा, रेडियल थर्मल ढाँचाले सबैभन्दा महत्त्वपूर्ण रूपमा प्रतिरोधात्मक वितरणलाई असर गर्छ। क्रिस्टलको मध्य क्षेत्रमा प्रतिरोधात्मकता कम हुन्छ र बिस्तारै किनाराहरूमा बढ्छ, ठूलो थर्मल ढाँचाको कारणले गर्दा केन्द्रबाट बाहिरी भागहरूमा नाइट्रोजन डोपिङ एकाग्रतामा कमी आउँछ। यस चरणको नाइट्रोजन डोपिङ मुख्यतया तापमान ढाँचाबाट प्रभावित हुन्छ, क्यारियर एकाग्रता वितरणले तापमान भिन्नताहरूको आधारमा स्पष्ट विशेषताहरू देखाउँछ। रमन स्पेक्ट्रोस्कोपी मापनले पुष्टि गर्‍यो कि क्यारियर एकाग्रता केन्द्रमा उच्च र किनारहरूमा कम छ, प्रतिरोधात्मक वितरण परिणामहरूसँग मेल खान्छ।

क्रिस्टल विकासको मध्य-चरणमा के परिवर्तनहरू हुन्छन्?

क्रिस्टल बृद्धि बढ्दै जाँदा, बृद्धि पक्षहरू विस्तार हुन्छन्, र रेडियल थर्मल ढाँचा घट्छ। यस चरणमा, यद्यपि रेडियल थर्मल ढाँचाले अझै पनि प्रतिरोधात्मक वितरणलाई असर गर्छ, क्रिस्टल पक्षहरूमा सर्पिल वृद्धि संयन्त्रको प्रभाव स्पष्ट हुन्छ। प्रतिरोधात्मकता पक्षीय क्षेत्रहरूमा गैर-मुख्य क्षेत्रहरूको तुलनामा उल्लेखनीय रूपमा कम छ। वेफर 23 को रमन स्पेक्ट्रोस्कोपी विश्लेषणले देखायो कि क्यारियर एकाग्रता पक्षीय क्षेत्रहरूमा उल्लेखनीय रूपमा उच्च छ, सर्पिल वृद्धि संयन्त्रले बढ्दो नाइट्रोजन डोपिङलाई बढावा दिन्छ, जसले यी क्षेत्रहरूमा कम प्रतिरोधात्मकतामा परिणाम दिन्छ।

क्रिस्टल विकासको ढिलो चरणका विशेषताहरू के हुन्?

क्रिस्टल बृद्धिको पछिल्ला चरणहरूमा, पक्षहरूमा सर्पिल वृद्धि संयन्त्र प्रभावशाली हुन्छ, यसले पक्षीय क्षेत्रहरूमा प्रतिरोधात्मकता घटाउँछ र क्रिस्टल केन्द्रसँग प्रतिरोधात्मक भिन्नता बढाउँछ। वेफर 44 को प्रतिरोधात्मकता वितरणको विश्लेषणले पत्ता लगायो कि यी क्षेत्रहरूमा उच्च नाइट्रोजन डोपिङसँग सम्बन्धित पक्ष क्षेत्रहरूमा प्रतिरोधात्मकता उल्लेखनीय रूपमा कम छ। नतिजाहरूले संकेत गरे कि क्रिस्टल मोटाई बढ्दै जाँदा, वाहक एकाग्रतामा सर्पिल वृद्धि संयन्त्रको प्रभावले रेडियल थर्मल ढाँचालाई पार गर्छ। नाइट्रोजन डोपिङ एकाग्रता गैर-मुख्य क्षेत्रहरूमा अपेक्षाकृत समान छ तर पक्षीय क्षेत्रहरूमा उल्लेखनीय रूपमा उच्च छ, यसले संकेत गर्दछ कि पक्ष क्षेत्रहरूमा डोपिङ संयन्त्रले ढिलो वृद्धि चरणमा वाहक एकाग्रता र प्रतिरोधात्मकता वितरणलाई नियन्त्रण गर्दछ।

तापमान ढाँचा र नाइट्रोजन डोपिङ कसरी सम्बन्धित छन्?

प्रयोग परिणामहरूले नाइट्रोजन डोपिङ एकाग्रता र तापमान ढाँचा बीचको स्पष्ट सकारात्मक सम्बन्ध पनि देखायो। प्रारम्भिक चरणमा, नाइट्रोजन डोपिङ एकाग्रता केन्द्रमा उच्च र पक्षीय क्षेत्रहरूमा कम हुन्छ। क्रिस्टल बढ्दै जाँदा, पक्षीय क्षेत्रहरूमा नाइट्रोजन डोपिङ एकाग्रता बिस्तारै बढ्दै जान्छ, अन्ततः केन्द्रमा भन्दा बढ्दै जान्छ, जसले प्रतिरोधात्मक भिन्नताहरू निम्त्याउँछ। यो घटना नाइट्रोजन ग्यास भोल्युमेट्रिक अंश नियन्त्रण गरेर अनुकूलित गर्न सकिन्छ। संख्यात्मक सिमुलेशन विश्लेषणले खुलासा गर्‍यो कि रेडियल थर्मल ढाँचामा कमीले थप समान नाइट्रोजन डोपिङ एकाग्रतामा पुर्‍याउँछ, विशेष गरी पछिको वृद्धि चरणहरूमा स्पष्ट हुन्छ। प्रयोगले एक महत्वपूर्ण तापमान ढाँचा (ΔT) पहिचान गर्‍यो जसको तल प्रतिरोधात्मकता वितरण समान हुन्छ।

नाइट्रोजन डोपिङ को संयन्त्र के हो?

नाइट्रोजन डोपिङ एकाग्रता तापक्रम र रेडियल थर्मल ढाँचाले मात्र नभई C/Si अनुपात, नाइट्रोजन ग्यास भोल्युमेट्रिक अंश, र वृद्धि दरले पनि प्रभावित हुन्छ। गैर-मुख्य क्षेत्रहरूमा, नाइट्रोजन डोपिङ मुख्यतया तापमान र C/Si अनुपात द्वारा नियन्त्रण गरिन्छ, जबकि पक्षीय क्षेत्रहरूमा, नाइट्रोजन ग्यास भोल्युमेट्रिक अंशले अधिक महत्त्वपूर्ण भूमिका खेल्छ। अध्ययनले देखाएको छ कि नाइट्रोजन ग्यास भोल्युमेट्रिक अंशलाई पक्षीय क्षेत्रहरूमा समायोजन गरेर, प्रतिरोधात्मकतालाई प्रभावकारी रूपमा कम गर्न सकिन्छ, उच्च वाहक एकाग्रता प्राप्त गर्न।

चित्र 1(a) ले क्रिस्टलको बिभिन्न बृद्धि चरणहरूलाई प्रतिनिधित्व गर्दै चयन गरिएका वेफर्सको स्थिति चित्रण गर्दछ। Wafer No.1 ले प्रारम्भिक चरण, No.23 मध्य चरण र No.44 ले अन्तिम चरणलाई प्रतिनिधित्व गर्दछ। यी वेफर्सको विश्लेषण गरेर, अनुसन्धानकर्ताहरूले विभिन्न विकास चरणहरूमा प्रतिरोधात्मक वितरण परिवर्तनहरू तुलना गर्न सक्छन्।

चित्रहरू 1(b), 1©, र 1(d) क्रमशः वेफर्स नम्बर 1, No.23, र No.44 को प्रतिरोधात्मक वितरण नक्सा देखाउँछन्, जहाँ रङको तीव्रताले प्रतिरोधात्मकता स्तरहरू देखाउँछ, गाढा क्षेत्रहरूले तल्लो तहको पक्षीय स्थितिहरू प्रतिनिधित्व गर्दछ। प्रतिरोधात्मकता।

वेफर नम्बर १: वृद्धि पक्षहरू सानो हुन्छन् र वेफरको छेउमा अवस्थित हुन्छन्, समग्र उच्च प्रतिरोधात्मकताको साथ जुन केन्द्रबाट किनारसम्म बढ्छ।

वेफर नम्बर 23: पक्षहरू विस्तार भएका छन् र वेफर केन्द्रको नजिक छन्, पक्षीय क्षेत्रहरूमा उल्लेखनीय रूपमा कम प्रतिरोधात्मकता र गैर-मुख्य क्षेत्रहरूमा उच्च प्रतिरोधात्मकताको साथ।

Wafer No.44: पक्षहरू फैलिन र वेफर सेन्टर तर्फ सर्ने क्रम जारी छ, अन्य क्षेत्रहरूको तुलनामा पक्षीय क्षेत्रहरूमा प्रतिरोधात्मकता स्पष्ट रूपमा कम छ।

चित्र 2(a) ले समयको साथमा क्रिस्टल व्यास दिशा ([1120] दिशा) को साथ विकास पक्षहरूको चौडाई भिन्नता देखाउँछ। पक्षहरू प्रारम्भिक वृद्धि चरणमा साँघुरो क्षेत्रहरूबाट पछिको चरणमा फराकिलो क्षेत्रहरूमा विस्तार हुन्छन्।

चित्र 2(b), 2©, र 2(d) क्रमशः वेफर्स नम्बर 1, No.23, र No.44 को व्यास दिशामा प्रतिरोधात्मकता वितरण प्रदर्शन गर्दछ।

Wafer No.1: वृद्धि पक्षहरूको प्रभाव न्यून छ, प्रतिरोधात्मकता बिस्तारै केन्द्रबाट किनारमा बढ्दै जान्छ।

Wafer No.23: पक्षहरूले प्रतिरोधात्मकतालाई उल्लेखनीय रूपमा कम गर्छ, जबकि गैर-मुख्य क्षेत्रहरूले उच्च प्रतिरोधक स्तरहरू कायम राख्छन्।

Wafer No.44: पक्षीय क्षेत्रहरूमा बाँकी वेफरको तुलनामा उल्लेखनीय रूपमा कम प्रतिरोधात्मकता हुन्छ, प्रतिरोधात्मकतामा पक्षीय प्रभाव अझ स्पष्ट हुँदै जान्छ।

आंकडा 3(a), 3(b), र 3© क्रमशः LOPC मोडको रमन शिफ्टहरू देखाउँदछ जुन वेफर्स नम्बर 1, No.23, र No.44 मा विभिन्न स्थानहरूमा (A, B, C, D) मापन गरिएको छ। , क्यारियर एकाग्रता मा परिवर्तन प्रतिबिम्बित।

Wafer No.1: रमन शिफ्ट बिस्तारै केन्द्र (पोइन्ट A) बाट किनारामा (पोइन्ट C) घट्दै जान्छ, जसले केन्द्रबाट किनारामा नाइट्रोजन डोपिङ सांद्रतामा कमी भएको संकेत गर्दछ। बिन्दु D (फेसेट क्षेत्र) मा कुनै महत्त्वपूर्ण रमन शिफ्ट परिवर्तन देखाइएको छैन।

Wafers No.23 र No.44: रमन शिफ्ट पक्षीय क्षेत्रहरू (पोइन्ट डी) मा उच्च छ, उच्च नाइट्रोजन डोपिङ एकाग्रता, कम प्रतिरोधी मापन संग सुसंगत संकेत गर्दछ।

चित्र 4(a) ले वेफर्सको विभिन्न रेडियल स्थानहरूमा वाहक एकाग्रता र रेडियल तापमान ढाँचामा भिन्नता देखाउँछ। यसले संकेत गर्छ कि वाहक एकाग्रता केन्द्रबाट किनारमा घट्छ, जबकि तापमान ढाँचा प्रारम्भिक वृद्धि चरणमा ठूलो हुन्छ र पछि घट्छ।

चित्र 4(b) ले तापमान ढाँचा (ΔT) को साथ पक्ष केन्द्र र वेफर केन्द्र बीच क्यारियर एकाग्रता मा भिन्नता मा परिवर्तन को चित्रण गर्दछ। प्रारम्भिक वृद्धि चरणमा (वेफर नम्बर 1), क्यारियर एकाग्रता पक्ष केन्द्रमा भन्दा वेफर केन्द्रमा उच्च हुन्छ। क्रिस्टल बढ्दै जाँदा, पक्षीय क्षेत्रहरूमा नाइट्रोजन डोपिङ एकाग्रता बिस्तारै केन्द्रमा भन्दा बढ्छ, Δn नकारात्मकबाट सकारात्मकमा परिवर्तन हुँदै, पक्षीय वृद्धि संयन्त्रको बढ्दो प्रभुत्वलाई संकेत गर्दछ।

चित्र 5 ले समयको साथ वेफर केन्द्र र पक्ष केन्द्रमा प्रतिरोधात्मकतामा परिवर्तन देखाउँछ। क्रिस्टल बढ्दै जाँदा, वेफर केन्द्रमा प्रतिरोधात्मकता 15.5 mΩ·cm बाट 23.7 mΩ·cm सम्म बढ्छ, जबकि पक्षीय केन्द्रमा प्रतिरोधात्मकता सुरुमा 22.1 mΩ·cm सम्म बढ्छ र त्यसपछि 19.5 mΩ·cm मा घट्छ। पक्षीय क्षेत्रहरूमा प्रतिरोधात्मकतामा गिरावट नाइट्रोजन ग्यास भोल्युमेट्रिक अंशमा परिवर्तनहरूसँग सम्बन्धित छ, नाइट्रोजन डोपिङ एकाग्रता र प्रतिरोधात्मकता बीचको नकारात्मक सम्बन्धलाई संकेत गर्दछ।

निष्कर्ष

अध्ययनको मुख्य निष्कर्षहरू रेडियल थर्मल ढाँचा र क्रिस्टल पक्ष वृद्धिले 4H-SiC क्रिस्टलहरूमा प्रतिरोधात्मक वितरणलाई महत्त्वपूर्ण रूपमा प्रभाव पार्छ।

क्रिस्टल बृद्धिको प्रारम्भिक चरणमा, रेडियल थर्मल ढाँचाले वाहक एकाग्रता वितरण निर्धारण गर्दछ, क्रिस्टल केन्द्रमा कम प्रतिरोधात्मकता र किनारहरूमा उच्च।

क्रिस्टल बढ्दै जाँदा, पक्षीय क्षेत्रहरूमा नाइट्रोजन डोपिङ एकाग्रता बढ्छ, प्रतिरोधात्मकता कम हुन्छ, पक्ष क्षेत्रहरू र क्रिस्टल केन्द्रहरू बीचको प्रतिरोधात्मक भिन्नता थप स्पष्ट हुँदै जान्छ।

रेडियल थर्मल ढाँचाबाट फेसट बृद्धि संयन्त्रमा प्रतिरोधात्मक वितरण नियन्त्रणको संक्रमणलाई चिन्ह लगाउँदै एउटा महत्वपूर्ण तापमान ढाँचा पहिचान गरिएको थियो।**

मूल स्रोत: Xie, X., Kong, Y., Xu, L., Yang, D., & Pi, X. (2024)। n-प्रकार 4H-SiC क्रिस्टलको विद्युतीय प्रतिरोधात्मकताको वितरण। क्रिस्टल ग्रोथको जर्नल। https://doi.org/10.1016/j.jcrysgro.2024.127892