n-టైప్ 4H-SiC స్ఫటికాలలో ఎలక్ట్రికల్ రెసిస్టివిటీ పంపిణీపై అధ్యయనం

4H-SiC, మూడవ తరం సెమీకండక్టర్ మెటీరియల్‌గా, దాని విస్తృత బ్యాండ్‌గ్యాప్, అధిక ఉష్ణ వాహకత మరియు అద్భుతమైన రసాయన మరియు ఉష్ణ స్థిరత్వానికి ప్రసిద్ధి చెందింది, ఇది అధిక-శక్తి మరియు అధిక-ఫ్రీక్వెన్సీ అనువర్తనాల్లో అత్యంత విలువైనదిగా చేస్తుంది. అయితే, ఈ పరికరాల పనితీరును ప్రభావితం చేసే ముఖ్య అంశం 4H-SiC క్రిస్టల్‌లోని ఎలక్ట్రికల్ రెసిస్టివిటీ పంపిణీలో ఉంది, ప్రత్యేకించి పెద్ద-పరిమాణ స్ఫటికాలలో ఏకరీతి రెసిస్టివిటీ అనేది స్ఫటిక పెరుగుదల సమయంలో ఒక ముఖ్యమైన సమస్య. n-రకం 4H-SiC యొక్క రెసిస్టివిటీని సర్దుబాటు చేయడానికి నైట్రోజన్ డోపింగ్ ఉపయోగించబడుతుంది, అయితే సంక్లిష్టమైన రేడియల్ థర్మల్ గ్రేడియంట్ మరియు క్రిస్టల్ గ్రోత్ ప్యాట్రన్‌ల కారణంగా, రెసిస్టివిటీ పంపిణీ తరచుగా అసమానంగా మారుతుంది.

ప్రయోగం ఎలా జరిగింది?

ప్రయోగం 150 మిమీ వ్యాసంతో n-రకం 4H-SiC స్ఫటికాలను పెంచడానికి భౌతిక ఆవిరి రవాణా (PVT) పద్ధతిని ఉపయోగించింది. నత్రజని మరియు ఆర్గాన్ వాయువుల మిశ్రమ నిష్పత్తిని సర్దుబాటు చేయడం ద్వారా, నత్రజని డోపింగ్ యొక్క ఏకాగ్రత నియంత్రించబడుతుంది. నిర్దిష్ట ప్రయోగాత్మక దశలు ఉన్నాయి:

2100°C మరియు 2300°C మధ్య క్రిస్టల్ పెరుగుదల ఉష్ణోగ్రత మరియు 2 mbar వద్ద పెరుగుదల ఒత్తిడిని నిర్వహించడం.

ప్రయోగం సమయంలో నైట్రోజన్ వాయువు యొక్క వాల్యూమెట్రిక్ భిన్నాన్ని ప్రారంభ 9% నుండి 6%కి తగ్గించి ఆపై 9% వరకు సర్దుబాటు చేయడం.

రెసిస్టివిటీ కొలత మరియు రామన్ స్పెక్ట్రోస్కోపీ విశ్లేషణ కోసం పెరిగిన క్రిస్టల్‌ను సుమారు 0.45 మిమీ మందంతో పొరలుగా కత్తిరించడం.

రెసిస్టివిటీ పంపిణీని బాగా అర్థం చేసుకోవడానికి క్రిస్టల్ పెరుగుదల సమయంలో థర్మల్ ఫీల్డ్‌ను అనుకరించడానికి COMSOL సాఫ్ట్‌వేర్‌ను ఉపయోగించడం.

పరిశోధనలో ఏమి ఉంది?

ఈ అధ్యయనంలో PVT పద్ధతిని ఉపయోగించి 150 mm వ్యాసంతో n-రకం 4H-SiC స్ఫటికాలను పెంచడం మరియు వివిధ వృద్ధి దశల్లో రెసిస్టివిటీ పంపిణీని కొలవడం మరియు విశ్లేషించడం వంటివి ఉన్నాయి. క్రిస్టల్ యొక్క రెసిస్టివిటీ రేడియల్ థర్మల్ గ్రేడియంట్ మరియు క్రిస్టల్ గ్రోత్ మెకానిజం ద్వారా ప్రభావితమవుతుందని ఫలితాలు చూపించాయి, వివిధ వృద్ధి దశలలో విభిన్న లక్షణాలను ప్రదర్శిస్తాయి.

క్రిస్టల్ గ్రోత్ యొక్క ప్రారంభ దశలో ఏమి జరుగుతుంది?

క్రిస్టల్ పెరుగుదల ప్రారంభ దశలో, రేడియల్ థర్మల్ గ్రేడియంట్ రెసిస్టివిటీ పంపిణీని గణనీయంగా ప్రభావితం చేస్తుంది. స్ఫటికం యొక్క మధ్య ప్రాంతంలో రెసిస్టివిటీ తక్కువగా ఉంటుంది మరియు అంచుల వైపు క్రమంగా పెరుగుతుంది, పెద్ద థర్మల్ గ్రేడియంట్ కారణంగా మధ్య నుండి పొలిమేరల వరకు నత్రజని డోపింగ్ గాఢత తగ్గుతుంది. ఈ దశ యొక్క నైట్రోజన్ డోపింగ్ ప్రాథమికంగా ఉష్ణోగ్రత ప్రవణత ద్వారా ప్రభావితమవుతుంది, క్యారియర్ ఏకాగ్రత పంపిణీ ఉష్ణోగ్రత వైవిధ్యాలపై ఆధారపడి స్పష్టమైన లక్షణాలను చూపుతుంది. రామన్ స్పెక్ట్రోస్కోపీ కొలతలు రెసిస్టివిటీ పంపిణీ ఫలితాలకు అనుగుణంగా క్యారియర్ ఏకాగ్రత మధ్యలో ఎక్కువగా మరియు అంచుల వద్ద తక్కువగా ఉన్నట్లు నిర్ధారించింది.

క్రిస్టల్ గ్రోత్ యొక్క మధ్య-దశలో ఏ మార్పులు సంభవిస్తాయి?

క్రిస్టల్ ఎదుగుదల పురోగమిస్తున్నప్పుడు, పెరుగుదల కోణాలు విస్తరిస్తాయి మరియు రేడియల్ థర్మల్ గ్రేడియంట్ తగ్గుతుంది. ఈ దశలో, రేడియల్ థర్మల్ గ్రేడియంట్ ఇప్పటికీ రెసిస్టివిటీ పంపిణీని ప్రభావితం చేస్తున్నప్పటికీ, క్రిస్టల్ కోణాలపై స్పైరల్ గ్రోత్ మెకానిజం ప్రభావం స్పష్టంగా కనిపిస్తుంది. నాన్-ఫేసెట్ ప్రాంతాలతో పోలిస్తే ముఖ ప్రాంతాలలో రెసిస్టివిటీ తక్కువగా ఉంటుంది. పొర 23 యొక్క రామన్ స్పెక్ట్రోస్కోపీ విశ్లేషణ ముఖ ప్రాంతాలలో క్యారియర్ ఏకాగ్రత గణనీయంగా ఎక్కువగా ఉందని చూపించింది, స్పైరల్ గ్రోత్ మెకానిజం పెరిగిన నత్రజని డోపింగ్‌ను ప్రోత్సహిస్తుందని, ఫలితంగా ఈ ప్రాంతాలలో తక్కువ నిరోధకత ఏర్పడుతుందని సూచిస్తుంది.

క్రిస్టల్ గ్రోత్ యొక్క చివరి దశ యొక్క లక్షణాలు ఏమిటి?

స్ఫటిక పెరుగుదల యొక్క తరువాతి దశలలో, ముఖభాగాలపై స్పైరల్ గ్రోత్ మెకానిజం ప్రబలంగా మారుతుంది, ముఖ ప్రాంతాలలో రెసిస్టివిటీని మరింత తగ్గిస్తుంది మరియు క్రిస్టల్ సెంటర్‌తో రెసిస్టివిటీ వ్యత్యాసాన్ని పెంచుతుంది. పొర 44 యొక్క రెసిస్టివిటీ పంపిణీ యొక్క విశ్లేషణ ఈ ప్రాంతాలలో అధిక నత్రజని డోపింగ్‌కు అనుగుణంగా, ముఖ ప్రాంతాలలో రెసిస్టివిటీ గణనీయంగా తక్కువగా ఉందని వెల్లడించింది. పెరుగుతున్న క్రిస్టల్ మందంతో, క్యారియర్ ఏకాగ్రతపై స్పైరల్ గ్రోత్ మెకానిజం ప్రభావం రేడియల్ థర్మల్ గ్రేడియంట్‌ను అధిగమిస్తుందని ఫలితాలు సూచించాయి. నత్రజని డోపింగ్ ఏకాగ్రత నాన్-ఫేసెట్ ప్రాంతాలలో సాపేక్షంగా ఏకరీతిగా ఉంటుంది, కానీ ముఖ ప్రాంతాలలో గణనీయంగా ఎక్కువగా ఉంటుంది, ఇది చివరి వృద్ధి దశలో క్యారియర్ ఏకాగ్రత మరియు రెసిస్టివిటీ పంపిణీని నియంత్రిస్తుందని సూచిస్తుంది.

టెంపరేచర్ గ్రేడియంట్ మరియు నైట్రోజన్ డోపింగ్ ఎలా సంబంధం కలిగి ఉంటాయి?

ప్రయోగ ఫలితాలు నత్రజని డోపింగ్ ఏకాగ్రత మరియు ఉష్ణోగ్రత ప్రవణత మధ్య స్పష్టమైన సానుకూల సహసంబంధాన్ని కూడా చూపించాయి. ప్రారంభ దశలో, నత్రజని డోపింగ్ సాంద్రత మధ్యలో ఎక్కువగా ఉంటుంది మరియు ముఖ ప్రాంతాలలో తక్కువగా ఉంటుంది. క్రిస్టల్ పెరిగేకొద్దీ, ముఖ ప్రాంతాలలో నత్రజని డోపింగ్ ఏకాగ్రత క్రమంగా పెరుగుతుంది, చివరికి మధ్యలో దానిని అధిగమిస్తుంది, ఇది రెసిస్టివిటీ వ్యత్యాసాలకు దారితీస్తుంది. నైట్రోజన్ గ్యాస్ వాల్యూమెట్రిక్ భిన్నాన్ని నియంత్రించడం ద్వారా ఈ దృగ్విషయాన్ని ఆప్టిమైజ్ చేయవచ్చు. రేడియల్ థర్మల్ గ్రేడియంట్‌లో తగ్గుదల మరింత ఏకరీతి నత్రజని డోపింగ్ ఏకాగ్రతకు దారితీస్తుందని సంఖ్యా అనుకరణ విశ్లేషణ వెల్లడించింది, ముఖ్యంగా తరువాతి వృద్ధి దశలలో స్పష్టంగా కనిపిస్తుంది. ప్రయోగం ఒక క్లిష్టమైన ఉష్ణోగ్రత ప్రవణతను (ΔT) గుర్తించింది, దాని క్రింద రెసిస్టివిటీ పంపిణీ ఏకరీతిగా మారుతుంది.

నైట్రోజన్ డోపింగ్ యొక్క మెకానిజం ఏమిటి?

నత్రజని డోపింగ్ ఏకాగ్రత ఉష్ణోగ్రత మరియు రేడియల్ థర్మల్ ప్రవణత ద్వారా మాత్రమే కాకుండా C/Si నిష్పత్తి, నైట్రోజన్ గ్యాస్ వాల్యూమెట్రిక్ భిన్నం మరియు వృద్ధి రేటు ద్వారా కూడా ప్రభావితమవుతుంది. నాన్-ఫేసెట్ ప్రాంతాలలో, నైట్రోజన్ డోపింగ్ ప్రధానంగా ఉష్ణోగ్రత మరియు C/Si నిష్పత్తి ద్వారా నియంత్రించబడుతుంది, అయితే ముఖ ప్రాంతాలలో, నైట్రోజన్ గ్యాస్ వాల్యూమెట్రిక్ భిన్నం మరింత కీలక పాత్ర పోషిస్తుంది. ముఖ ప్రాంతాలలో నైట్రోజన్ గ్యాస్ వాల్యూమెట్రిక్ భిన్నాన్ని సర్దుబాటు చేయడం ద్వారా, రెసిస్టివిటీని సమర్థవంతంగా తగ్గించవచ్చని, అధిక క్యారియర్ ఏకాగ్రతను సాధించవచ్చని అధ్యయనం చూపించింది.

మూర్తి 1(a) ఎంచుకున్న పొరల స్థానాలను వర్ణిస్తుంది, ఇది క్రిస్టల్ యొక్క వివిధ వృద్ధి దశలను సూచిస్తుంది. వేఫర్ నెం.1 ప్రారంభ దశను, నెం.23 మధ్య దశను మరియు నెం.44 చివరి దశను సూచిస్తుంది. ఈ పొరలను విశ్లేషించడం ద్వారా, పరిశోధకులు వివిధ వృద్ధి దశలలో రెసిస్టివిటీ పంపిణీ మార్పులను పోల్చవచ్చు.

గణాంకాలు 1(b), 1©, మరియు 1(d) వరుసగా పొరల నం.1, నం.23 మరియు నం.44 యొక్క రెసిస్టివిటీ డిస్ట్రిబ్యూషన్ మ్యాప్‌లను చూపుతాయి, ఇక్కడ రంగు తీవ్రత రెసిస్టివిటీ స్థాయిలను సూచిస్తుంది, ముదురు ప్రాంతాలు తక్కువ ముఖ స్థానాలను సూచిస్తాయి. రెసిస్టివిటీ.

పొర నం.1: పెరుగుదల కోణాలు చిన్నవిగా ఉంటాయి మరియు పొర యొక్క అంచున ఉంటాయి, మొత్తం అధిక నిరోధకతతో మధ్యలో నుండి అంచు వరకు పెరుగుతుంది.

వేఫర్ నం.23: ముఖభాగాలు విస్తరించాయి మరియు పొర కేంద్రానికి దగ్గరగా ఉన్నాయి, ముఖభాగం ప్రాంతాలలో గణనీయంగా తక్కువ రెసిస్టివిటీ మరియు నాన్-ఫేసెట్ ప్రాంతాలలో అధిక రెసిస్టివిటీ ఉంటుంది.

పొర నం.44: ముఖభాగాలు విస్తరించడం మరియు పొర కేంద్రం వైపు కదులుతూ ఉంటాయి, ఇతర ప్రాంతాల కంటే ముఖ ప్రాంతాలలో రెసిస్టివిటీ చాలా తక్కువగా ఉంటుంది.

మూర్తి 2(a) కాలక్రమేణా క్రిస్టల్ వ్యాసం దిశలో ([1120] దిశ) పెరుగుదల కోణాల వెడల్పు వైవిధ్యాన్ని చూపుతుంది. కోణాలు ప్రారంభ వృద్ధి దశలో ఇరుకైన ప్రాంతాల నుండి తరువాత దశలో విస్తృత ప్రాంతాలకు విస్తరిస్తాయి.

గణాంకాలు 2(b), 2©, మరియు 2(d) వరుసగా పొరలు No.1, No.23 మరియు No.44 కోసం వ్యాసం దిశలో రెసిస్టివిటీ పంపిణీని ప్రదర్శిస్తాయి.

పొర నం.1: పెరుగుదల కోణాల ప్రభావం తక్కువగా ఉంటుంది, రెసిస్టివిటీ క్రమంగా మధ్య నుండి అంచు వరకు పెరుగుతుంది.

వేఫర్ నం.23: కోణాలు రెసిస్టివిటీని గణనీయంగా తగ్గిస్తాయి, అయితే నాన్-ఫేసెట్ ప్రాంతాలు అధిక రెసిస్టివిటీ స్థాయిలను నిర్వహిస్తాయి.

పొర నం.44: ముఖభాగాలు మిగిలిన పొరల కంటే తక్కువ రెసిస్టివిటీని కలిగి ఉంటాయి, రెసిస్టివిటీపై ముఖభాగం ప్రభావం మరింత స్పష్టంగా కనిపిస్తుంది.

గణాంకాలు 3(a), 3(b), మరియు 3© వరుసగా వేఫర్‌లు No.1, No.23 మరియు No.44పై వేర్వేరు స్థానాల్లో (A, B, C, D) కొలవబడిన LOPC మోడ్ యొక్క రామన్ షిప్ట్‌లను చూపుతాయి. , క్యారియర్ ఏకాగ్రతలో మార్పులను ప్రతిబింబిస్తుంది.

పొర నం.1: రామన్ మార్పు కేంద్రం (పాయింట్ A) నుండి అంచుకు (పాయింట్ C) క్రమంగా తగ్గుతుంది, ఇది మధ్య నుండి అంచు వరకు నత్రజని డోపింగ్ ఏకాగ్రతలో తగ్గుదలని సూచిస్తుంది. పాయింట్ D (ఫేసెట్ రీజియన్) వద్ద రామన్ షిఫ్ట్ మార్పు గమనించబడలేదు.

పొరలు నం.23 మరియు నం.44: రామన్ షిఫ్ట్ ఫాసెట్ రీజియన్‌లలో (పాయింట్ D) ఎక్కువగా ఉంటుంది, ఇది తక్కువ రెసిస్టివిటీ కొలతలకు అనుగుణంగా అధిక నైట్రోజన్ డోపింగ్ ఏకాగ్రతను సూచిస్తుంది.

ఫిగర్ 4(a) పొరల యొక్క వివిధ రేడియల్ స్థానాల్లో క్యారియర్ ఏకాగ్రత మరియు రేడియల్ ఉష్ణోగ్రత ప్రవణతలో వైవిధ్యాన్ని చూపుతుంది. ఇది క్యారియర్ ఏకాగ్రత మధ్య నుండి అంచు వరకు తగ్గుతుందని సూచిస్తుంది, అయితే ఉష్ణోగ్రత ప్రవణత ప్రారంభ వృద్ధి దశలో పెద్దదిగా ఉంటుంది మరియు తదనంతరం తగ్గుతుంది.

మూర్తి 4(బి) ఉష్ణోగ్రత ప్రవణత (ΔT)తో ముఖ కేంద్రం మరియు పొర కేంద్రం మధ్య క్యారియర్ ఏకాగ్రతలో తేడాలో మార్పును వివరిస్తుంది. ప్రారంభ వృద్ధి దశలో (వేఫర్ నం.1), క్యారియర్ ఏకాగ్రత ముఖ కేంద్రం కంటే పొర కేంద్రంలో ఎక్కువగా ఉంటుంది. స్ఫటికం పెరిగేకొద్దీ, ముఖభాగాలలో నత్రజని డోపింగ్ ఏకాగ్రత క్రమంగా మధ్యలో ఉన్నదానిని అధిగమిస్తుంది, Δn ప్రతికూల నుండి సానుకూలంగా మారుతుంది, ఇది ముఖ వృద్ధి విధానం యొక్క పెరుగుతున్న ఆధిపత్యాన్ని సూచిస్తుంది.

మూర్తి 5 కాలక్రమేణా పొర కేంద్రం మరియు ముఖ కేంద్రం వద్ద రెసిస్టివిటీలో మార్పును చూపుతుంది. క్రిస్టల్ పెరిగేకొద్దీ, పొర కేంద్రంలో రెసిస్టివిటీ 15.5 mΩ·cm నుండి 23.7 mΩ·cm వరకు పెరుగుతుంది, అయితే ముఖ కేంద్రం వద్ద రెసిస్టివిటీ ప్రారంభంలో 22.1 mΩ·cmకి పెరుగుతుంది మరియు తర్వాత 19.5 mΩ·cmకి తగ్గుతుంది. ముఖ ప్రాంతాలలో రెసిస్టివిటీ క్షీణత నైట్రోజన్ గ్యాస్ వాల్యూమెట్రిక్ భిన్నంలో మార్పులతో సహసంబంధం కలిగి ఉంటుంది, ఇది నత్రజని డోపింగ్ ఏకాగ్రత మరియు రెసిస్టివిటీ మధ్య ప్రతికూల సహసంబంధాన్ని సూచిస్తుంది.

ముగింపులు

అధ్యయనం యొక్క ముఖ్య ముగింపులు ఏమిటంటే, రేడియల్ థర్మల్ గ్రేడియంట్ మరియు క్రిస్టల్ ఫేసెట్ పెరుగుదల 4H-SiC స్ఫటికాలలో రెసిస్టివిటీ పంపిణీని గణనీయంగా ప్రభావితం చేస్తాయి:

క్రిస్టల్ పెరుగుదల ప్రారంభ దశలో, రేడియల్ థర్మల్ గ్రేడియంట్ క్యారియర్ ఏకాగ్రత పంపిణీని నిర్ణయిస్తుంది, క్రిస్టల్ సెంటర్‌లో తక్కువ రెసిస్టివిటీ మరియు అంచుల వద్ద ఎక్కువ ఉంటుంది.

క్రిస్టల్ పెరిగేకొద్దీ, ముఖ ప్రాంతాలలో నత్రజని డోపింగ్ సాంద్రత పెరుగుతుంది, రెసిస్టివిటీని తగ్గిస్తుంది, ముఖ ప్రాంతాలు మరియు క్రిస్టల్ సెంటర్ మధ్య రెసిస్టివిటీ వ్యత్యాసం మరింత స్పష్టంగా కనిపిస్తుంది.

రేడియల్ థర్మల్ గ్రేడియంట్ నుండి ఫాసెట్ గ్రోత్ మెకానిజం వరకు రెసిస్టివిటీ డిస్ట్రిబ్యూషన్ కంట్రోల్ యొక్క పరివర్తనను గుర్తుచేస్తూ క్లిష్టమైన ఉష్ణోగ్రత ప్రవణత గుర్తించబడింది.**

అసలు మూలం: Xie, X., Kong, Y., Xu, L., Yang, D., & Pi, X. (2024). n-రకం 4H-SiC క్రిస్టల్ యొక్క ఎలక్ట్రికల్ రెసిస్టివిటీ పంపిణీ. జర్నల్ ఆఫ్ క్రిస్టల్ గ్రోత్. https://doi.org/10.1016/j.jcrysgro.2024.127892