Исследование распределения электросопротивления в кристаллах 4H-SiC n-типа

4H-SiC, как полупроводниковый материал третьего поколения, известен своей широкой запрещенной зоной, высокой теплопроводностью, а также превосходной химической и термической стабильностью, что делает его очень ценным в мощных и высокочастотных приложениях. Однако ключевой фактор, влияющий на производительность этих устройств, заключается в распределении удельного электрического сопротивления внутри кристалла 4H-SiC, особенно в кристаллах большого размера, где однородность удельного сопротивления является актуальной проблемой во время роста кристаллов. Легирование азотом используется для регулирования удельного сопротивления 4H-SiC n-типа, но из-за сложного радиального температурного градиента и структуры роста кристаллов распределение удельного сопротивления часто становится неравномерным.

Как проводился эксперимент?

В эксперименте использовался метод физического переноса паров (PVT) для выращивания кристаллов 4H-SiC n-типа диаметром 150 мм. Регулируя соотношение смеси газов азота и аргона, контролировали концентрацию легирующего азота. Конкретные экспериментальные этапы включали:

Поддержание температуры роста кристаллов в пределах 2100–2300°C и давления роста 2 мбар.

Регулировка объемной доли газообразного азота с первоначальных 9% до 6%, а затем обратно до 9% в ходе эксперимента.

Разрезание выращенного кристалла на пластины толщиной примерно 0,45 мм для измерения удельного сопротивления и анализа рамановской спектроскопии.

Использование программного обеспечения COMSOL для моделирования теплового поля во время роста кристаллов, чтобы лучше понять распределение удельного сопротивления.

Что включало в себя исследование?

В рамках исследования методом PVT выращивались кристаллы 4H-SiC n-типа диаметром 150 мм, а также измерялись и анализировались распределения удельного сопротивления на различных стадиях роста. Результаты показали, что на удельное сопротивление кристалла влияют радиальный температурный градиент и механизм роста кристалла, проявляя разные характеристики на разных стадиях роста.

Что происходит на ранней стадии роста кристаллов?

На начальном этапе роста кристаллов наиболее существенное влияние на распределение удельного сопротивления оказывает радиальный температурный градиент. Удельное сопротивление ниже в центральной области кристалла и постепенно увеличивается к краям из-за большего температурного градиента, вызывающего уменьшение концентрации легирующего азота от центра к окраинам. На легирование азотом на этом этапе в первую очередь влияет температурный градиент, при этом распределение концентрации носителей демонстрирует четкие характеристики в зависимости от изменений температуры. Измерения рамановской спектроскопии подтвердили, что концентрация носителей выше в центре и ниже на краях, что соответствует результатам распределения удельного сопротивления.

Какие изменения происходят на средней стадии роста кристаллов?

По мере роста кристалла грани роста расширяются, а радиальный температурный градиент уменьшается. На этом этапе, хотя радиальный температурный градиент все еще влияет на распределение удельного сопротивления, становится очевидным влияние механизма спирального роста на грани кристалла. Удельное сопротивление заметно ниже в фасетных областях по сравнению с нефасетными областями. Анализ рамановской спектроскопии пластины 23 показал, что концентрация носителей значительно выше в фасетных областях, что указывает на то, что механизм спирального роста способствует увеличению легирования азотом, что приводит к снижению удельного сопротивления в этих областях.

Каковы характеристики поздней стадии роста кристаллов?

На более поздних стадиях роста кристаллов спиральный механизм роста на гранях становится доминирующим, что еще больше снижает удельное сопротивление в областях граней и увеличивает разницу удельного сопротивления с центром кристалла. Анализ распределения удельного сопротивления пластины 44 показал, что удельное сопротивление в фасетных областях значительно ниже, что соответствует более высокому легированию азотом в этих областях. Результаты показали, что с увеличением толщины кристалла влияние спирального механизма роста на концентрацию носителей превосходит влияние радиального температурного градиента. Концентрация легирования азотом относительно однородна в областях, не являющихся гранями, но значительно выше в областях граней, что указывает на то, что механизм легирования в областях граней определяет концентрацию носителей и распределение удельного сопротивления на поздней стадии роста.

Как связаны температурный градиент и легирование азотом?

Результаты эксперимента также показали четкую положительную корреляцию между концентрацией легирования азотом и температурным градиентом. На ранней стадии концентрация легирования азотом выше в центре и ниже в фасетных областях. По мере роста кристалла концентрация легирующего азота в граненых областях постепенно увеличивается, в конечном итоге превосходя концентрацию в центре, что приводит к различиям в удельном сопротивлении. Это явление можно оптимизировать, контролируя объемную долю газообразного азота. Анализ численного моделирования показал, что уменьшение радиального температурного градиента приводит к более однородной концентрации легирования азотом, что особенно заметно на более поздних стадиях роста. В ходе эксперимента был определен критический температурный градиент (ΔT), ниже которого распределение удельного сопротивления имеет тенденцию становиться однородным.

Каков механизм легирования азотом?

На концентрацию легирования азотом влияют не только температура и радиальный температурный градиент, но также соотношение C/Si, объемная доля газообразного азота и скорость роста. В нефасетных областях легирование азотом в основном контролируется температурой и соотношением C/Si, тогда как в фасетных областях более важную роль играет объемная доля газообразного азота. Исследование показало, что путем регулирования объемной доли газообразного азота в фасетных областях можно эффективно снизить удельное сопротивление, достигнув более высокой концентрации носителей.

На рисунке 1(а) показано положение выбранных пластин, представляющих разные стадии роста кристалла. Вафля №1 представляет собой раннюю стадию, №23 – среднюю стадию, а №44 – позднюю стадию. Анализируя эти пластины, исследователи могут сравнить изменения распределения удельного сопротивления на разных стадиях роста.

На рисунках 1(b), 1© и 1(d) соответственно показаны карты распределения удельного сопротивления пластин № 1, № 23 и № 44, где интенсивность цвета указывает уровни удельного сопротивления, а более темные области представляют положения граней с более низкими значениями. удельное сопротивление.

Пластина № 1: Фасеты роста небольшие и расположены на краю пластины, с общим высоким удельным сопротивлением, которое увеличивается от центра к краю.

Пластина № 23: Фасеты расширились и расположены ближе к центру пластины, со значительно более низким удельным сопротивлением в фасетных областях и более высоким удельным сопротивлением в нефасетных областях.

Пластина № 44: Грани продолжают расширяться и двигаться к центру пластины, при этом удельное сопротивление в областях граней заметно ниже, чем в других областях.

На рис. 2(а) показано изменение ширины граней роста вдоль направления диаметра кристалла (направление [1120]) во времени. Фасеты расширяются от более узких областей на ранней стадии роста к более широким областям на более поздней стадии.

На рисунках 2(б), 2© и 2(г) показано распределение удельного сопротивления в направлении диаметра для пластин №1, №23 и №44 соответственно.

Пластина №1: Влияние граней роста минимально, удельное сопротивление постепенно увеличивается от центра к краю.

Пластина № 23: Фасеты значительно снижают удельное сопротивление, в то время как области без граней сохраняют более высокие уровни удельного сопротивления.

Пластина № 44: Фасетные области имеют значительно более низкое удельное сопротивление, чем остальная часть пластины, при этом влияние фасеток на удельное сопротивление становится более выраженным.

На рисунках 3(a), 3(b) и 3© соответственно показаны рамановские сдвиги моды LOPC, измеренные в разных положениях (A, B, C, D) на пластинах № 1, № 23 и № 44. , отражающий изменения концентрации носителей.

Пластина № 1: Рамановский сдвиг постепенно уменьшается от центра (точка А) к краю (точка С), что указывает на снижение концентрации легирующего азота от центра к краю. Никаких существенных изменений комбинационного смещения не наблюдается в точке D (область грани).

Пластины № 23 и № 44: Рамановский сдвиг выше в фасетных областях (точка D), что указывает на более высокую концентрацию легирующего азота, что согласуется с измерениями низкого удельного сопротивления.

На рис. 4(а) показано изменение концентрации носителей заряда и радиального градиента температуры при различных радиальных положениях пластин. Это указывает на то, что концентрация носителей уменьшается от центра к краю, а градиент температуры больше на ранней стадии роста и в дальнейшем уменьшается.

Рисунок 4(b) иллюстрирует изменение разницы в концентрации носителей между центром грани и центром пластины с градиентом температуры (ΔT). На ранней стадии роста (подложка №1) концентрация носителей в центре пластины выше, чем в центре грани. По мере роста кристалла концентрация легирования азотом в граненых областях постепенно превышает концентрацию в центре, при этом Δn меняется от отрицательного к положительному, что указывает на растущее доминирование фасетного механизма роста.

На рисунке 5 показано изменение удельного сопротивления в центре пластины и центре грани с течением времени. По мере роста кристалла удельное сопротивление в центре пластины увеличивается с 15,5 мОм·см до 23,7 мОм·см, а сопротивление в центре грани сначала увеличивается до 22,1 мОм·см, а затем снижается до 19,5 мОм·см. Снижение удельного сопротивления в фасетных областях коррелирует с изменениями объемной доли газообразного азота, что указывает на отрицательную корреляцию между концентрацией легирующего азота и удельным сопротивлением.

Выводы

Ключевые выводы исследования заключаются в том, что радиальный температурный градиент и рост граней кристалла существенно влияют на распределение удельного сопротивления в кристаллах 4H-SiC:

На ранней стадии роста кристалла радиальный температурный градиент определяет распределение концентрации носителей с более низким удельным сопротивлением в центре кристалла и более высоким на краях.

По мере роста кристалла концентрация легирования азотом в граненых областях увеличивается, снижая удельное сопротивление, при этом разница в сопротивлении между гранеными областями и центром кристалла становится более очевидной.

Выявлен критический градиент температуры, обозначающий переход управления распределением электросопротивления от радиального температурного градиента к механизму фасеточного роста.**

Первоначальный источник: Се, X., Конг, Ю., Сюй, Л., Ян, Д. и Пи, X. (2024). Распределение удельного электросопротивления кристалла 4H-SiC n-типа. Журнал роста кристаллов. https://doi.org/10.1016/j.jcrysgro.2024.127892