एन-टाइप 4H-SiC क्रिस्टल्समधील विद्युत प्रतिरोधकतेच्या वितरणावरील अभ्यास

4H-SiC, तिसऱ्या पिढीतील सेमीकंडक्टर सामग्री म्हणून, त्याच्या विस्तृत बँडगॅप, उच्च थर्मल चालकता आणि उत्कृष्ट रासायनिक आणि थर्मल स्थिरतेसाठी प्रसिद्ध आहे, ज्यामुळे ते उच्च-शक्ती आणि उच्च-फ्रिक्वेंसी ऍप्लिकेशन्समध्ये अत्यंत मौल्यवान बनते. तथापि, या उपकरणांच्या कार्यक्षमतेवर परिणाम करणारा मुख्य घटक 4H-SiC क्रिस्टलमधील विद्युत प्रतिरोधकतेच्या वितरणामध्ये आहे, विशेषत: मोठ्या आकाराच्या क्रिस्टल्समध्ये जेथे क्रिस्टल वाढीदरम्यान एकसमान प्रतिरोधकता ही एक महत्त्वाची समस्या आहे. नायट्रोजन डोपिंगचा वापर n-प्रकार 4H-SiC ची प्रतिरोधकता समायोजित करण्यासाठी केला जातो, परंतु जटिल रेडियल थर्मल ग्रेडियंट आणि क्रिस्टल ग्रोथ पॅटर्नमुळे, प्रतिरोधकता वितरण अनेकदा असमान होते.

प्रयोग कसा केला गेला?

प्रयोगात 150 मिमी व्यासासह n-प्रकार 4H-SiC क्रिस्टल्स वाढवण्यासाठी भौतिक वाष्प वाहतूक (PVT) पद्धतीचा वापर करण्यात आला. नायट्रोजन आणि आर्गॉन वायूंचे मिश्रण प्रमाण समायोजित करून, नायट्रोजन डोपिंगची एकाग्रता नियंत्रित केली गेली. विशिष्ट प्रायोगिक चरणांमध्ये हे समाविष्ट होते:

2100°C आणि 2300°C दरम्यान क्रिस्टल वाढीचे तापमान आणि 2 mbar वर वाढीचा दाब राखणे.

प्रयोगादरम्यान नायट्रोजन वायूचा व्हॉल्यूमेट्रिक अंश सुरुवातीच्या 9% वरून 6% पर्यंत आणि नंतर 9% पर्यंत समायोजित करणे.

रेझिस्टिव्हिटी मापन आणि रामन स्पेक्ट्रोस्कोपी विश्लेषणासाठी वाळलेल्या क्रिस्टलचे अंदाजे 0.45 मिमी जाडीच्या वेफर्समध्ये कट करणे.

प्रतिरोधकता वितरण अधिक चांगल्या प्रकारे समजून घेण्यासाठी क्रिस्टल वाढीदरम्यान थर्मल फील्डचे अनुकरण करण्यासाठी COMSOL सॉफ्टवेअर वापरणे.

संशोधनात काय समाविष्ट होते?

या अभ्यासामध्ये PVT पद्धतीचा वापर करून 150 मिमी व्यासासह n-प्रकार 4H-SiC क्रिस्टल्स वाढवणे आणि वेगवेगळ्या वाढीच्या टप्प्यांवर प्रतिरोधकता वितरणाचे मोजमाप आणि विश्लेषण करणे समाविष्ट होते. परिणामांवरून असे दिसून आले की क्रिस्टलची प्रतिरोधकता रेडियल थर्मल ग्रेडियंट आणि क्रिस्टल ग्रोथ मेकॅनिझमद्वारे प्रभावित होते, वेगवेगळ्या वाढीच्या टप्प्यांवर भिन्न वैशिष्ट्ये प्रदर्शित करते.

क्रिस्टल ग्रोथच्या सुरुवातीच्या टप्प्यात काय होते?

क्रिस्टल वाढीच्या सुरुवातीच्या टप्प्यात, रेडियल थर्मल ग्रेडियंट सर्वात लक्षणीयपणे प्रतिरोधक वितरणावर परिणाम करते. क्रिस्टलच्या मध्यवर्ती भागात प्रतिरोधकता कमी असते आणि हळूहळू कडाकडे वाढते, मोठ्या थर्मल ग्रेडियंटमुळे केंद्रापासून बाहेरील भागात नायट्रोजन डोपिंग एकाग्रता कमी होते. या स्टेजचे नायट्रोजन डोपिंग प्रामुख्याने तापमान ग्रेडियंटने प्रभावित होते, वाहक एकाग्रतेचे वितरण तापमान भिन्नतेवर अवलंबून स्पष्ट वैशिष्ट्ये दर्शविते. रमन स्पेक्ट्रोस्कोपी मोजमापांनी पुष्टी केली की वाहक एकाग्रता मध्यभागी जास्त आणि कडांवर कमी आहे, प्रतिरोधकता वितरण परिणामांशी संबंधित आहे.

क्रिस्टल ग्रोथच्या मधल्या टप्प्यात कोणते बदल होतात?

क्रिस्टलची वाढ जसजशी वाढत जाते तसतसे वाढीचे पैलू विस्तारतात आणि रेडियल थर्मल ग्रेडियंट कमी होतो. या अवस्थेदरम्यान, जरी रेडियल थर्मल ग्रेडियंट अद्याप प्रतिरोधक वितरणावर परिणाम करत असले तरी, क्रिस्टल पैलूंवर सर्पिल वाढीच्या यंत्रणेचा प्रभाव स्पष्ट होतो. नॉन-फेसेट प्रदेशांच्या तुलनेत फेसट प्रदेशांमध्ये प्रतिरोधकता लक्षणीयरीत्या कमी आहे. वेफर 23 च्या रमन स्पेक्ट्रोस्कोपी विश्लेषणाने दर्शविले की वाहक एकाग्रता बाजूच्या क्षेत्रांमध्ये लक्षणीयरीत्या जास्त आहे, हे दर्शविते की सर्पिल वाढीची यंत्रणा नायट्रोजन डोपिंग वाढविण्यास प्रोत्साहन देते, परिणामी या प्रदेशांमध्ये कमी प्रतिरोधकता येते.

क्रिस्टल ग्रोथच्या उशीरा अवस्थेची वैशिष्ट्ये काय आहेत?

स्फटिकाच्या वाढीच्या नंतरच्या टप्प्यात, पैलूंवरील सर्पिल वाढीची यंत्रणा प्रबळ बनते, ज्यामुळे पुढील बाजूंच्या क्षेत्रांमध्ये प्रतिरोधकता कमी होते आणि क्रिस्टल केंद्रासह प्रतिरोधकता फरक वाढतो. वेफर 44 च्या प्रतिरोधकता वितरणाच्या विश्लेषणातून असे दिसून आले आहे की या भागात उच्च नायट्रोजन डोपिंगशी संबंधित, बाजूच्या क्षेत्रांमध्ये प्रतिरोधकता लक्षणीयरीत्या कमी आहे. परिणामांनी असे सूचित केले की क्रिस्टल जाडी वाढल्याने, वाहक एकाग्रतेवर सर्पिल वाढीच्या यंत्रणेचा प्रभाव रेडियल थर्मल ग्रेडियंटपेक्षा जास्त होतो. नायट्रोजन डोपिंग एकाग्रता नॉन-फेसेट प्रदेशांमध्ये तुलनेने एकसमान असते परंतु फेसिट प्रदेशांमध्ये लक्षणीयरीत्या जास्त असते, हे दर्शविते की फेसट प्रदेशांमध्ये डोपिंग यंत्रणा वाहक एकाग्रता आणि उशीरा वाढीच्या टप्प्यात प्रतिरोधकता वितरण नियंत्रित करते.

तापमान ग्रेडियंट आणि नायट्रोजन डोपिंग कसे संबंधित आहेत?

प्रयोगाच्या परिणामांनी नायट्रोजन डोपिंग एकाग्रता आणि तापमान ग्रेडियंट यांच्यात स्पष्ट सकारात्मक संबंध देखील दर्शविला. सुरुवातीच्या टप्प्यात, नायट्रोजन डोपिंग एकाग्रता मध्यभागी जास्त असते आणि बाजूच्या भागात कमी असते. जसजसे स्फटिक वाढते तसतसे, बाजूच्या क्षेत्रांमध्ये नायट्रोजन डोपिंग एकाग्रता हळूहळू वाढते, शेवटी मध्यभागी ते मागे टाकते, ज्यामुळे प्रतिरोधकता फरक होतो. नायट्रोजन गॅस व्हॉल्यूमेट्रिक अपूर्णांक नियंत्रित करून ही घटना ऑप्टिमाइझ केली जाऊ शकते. संख्यात्मक सिम्युलेशन विश्लेषणातून असे दिसून आले की रेडियल थर्मल ग्रेडियंटमध्ये घट झाल्यामुळे नायट्रोजन डोपिंग एकाग्रता अधिक एकसमान होते, विशेषत: नंतरच्या वाढीच्या टप्प्यात स्पष्ट होते. प्रयोगाने एक गंभीर तापमान ग्रेडियंट (ΔT) ओळखला ज्याच्या खाली प्रतिरोधकता वितरण एकसमान बनते.

नायट्रोजन डोपिंगची यंत्रणा काय आहे?

नायट्रोजन डोपिंग एकाग्रतेवर केवळ तापमान आणि रेडियल थर्मल ग्रेडियंटच नाही तर C/Si गुणोत्तर, नायट्रोजन वायू व्हॉल्यूमेट्रिक अंश आणि वाढीचा दर देखील प्रभावित होतो. नॉन-फेसट प्रदेशांमध्ये, नायट्रोजन डोपिंग मुख्यत्वे तापमान आणि सी/सी गुणोत्तराने नियंत्रित केले जाते, तर फेसट क्षेत्रांमध्ये, नायट्रोजन वायू व्हॉल्यूमेट्रिक अपूर्णांक अधिक महत्त्वपूर्ण भूमिका बजावते. अभ्यासात असे दिसून आले आहे की नायट्रोजन वायूचे व्हॉल्यूमेट्रिक अंश फेसिट क्षेत्रांमध्ये समायोजित करून, उच्च वाहक एकाग्रता प्राप्त करून, प्रतिरोधकता प्रभावीपणे कमी केली जाऊ शकते.

आकृती 1(a) निवडलेल्या वेफर्सच्या स्थानांचे चित्रण करते, क्रिस्टलच्या वाढीच्या विविध टप्प्यांचे प्रतिनिधित्व करते. वेफर क्रमांक 1 प्रारंभिक टप्पा, क्रमांक 23 मध्य-टप्पा आणि क्रमांक 44 शेवटचा टप्पा दर्शवतो. या वेफर्सचे विश्लेषण करून, संशोधक वेगवेगळ्या वाढीच्या टप्प्यांवर प्रतिरोधक वितरण बदलांची तुलना करू शकतात.

आकृती 1(b), 1©, आणि 1(d) अनुक्रमे वेफर्स क्रमांक 1, क्रमांक 23, आणि 44 चे प्रतिरोधक वितरण नकाशे दर्शवितात, जेथे रंगाची तीव्रता प्रतिरोधकता पातळी दर्शवते, गडद क्षेत्रे कमी असलेल्या बाजूच्या स्थानांचे प्रतिनिधित्व करतात प्रतिरोधकता

वेफर क्रमांक 1: वाढीचे पैलू लहान आहेत आणि वेफरच्या काठावर स्थित आहेत, एकूण उच्च प्रतिरोधकतेसह जे मध्यभागी ते काठापर्यंत वाढते.

वेफर क्र.२३: फेसट क्षेत्रांमध्ये लक्षणीयरीत्या कमी प्रतिरोधकता आणि नॉन-फेसट प्रदेशांमध्ये जास्त प्रतिरोधकतेसह, पैलू विस्तारले आहेत आणि वेफर केंद्राच्या जवळ आहेत.

वेफर क्र.44: फॅसट विस्तारत राहतात आणि वेफर सेंटरच्या दिशेने सरकतात, इतर भागांच्या तुलनेत फेसट प्रदेशांमध्ये प्रतिरोधकता लक्षणीयरीत्या कमी असते.

आकृती 2(a) कालांतराने क्रिस्टल व्यासाच्या दिशेने ([1120] दिशा) वाढीच्या पैलूंच्या रुंदीतील फरक दर्शविते. सुरुवातीच्या वाढीच्या अवस्थेतील अरुंद प्रदेशांपासून नंतरच्या टप्प्यात विस्तीर्ण क्षेत्रांपर्यंत पैलूंचा विस्तार होतो.

आकृती 2(b), 2©, आणि 2(d) अनुक्रमे 1, No.23 आणि No.44 साठी व्यासाच्या दिशेने प्रतिरोधकता वितरण प्रदर्शित करतात.

वेफर क्रमांक 1: वाढीच्या पैलूंचा प्रभाव कमी असतो, प्रतिरोधकता हळूहळू मध्यभागी ते काठापर्यंत वाढते.

वेफर क्र.२३: फॅट्स लक्षणीयरीत्या प्रतिरोधकता कमी करतात, तर नॉन-फेसेट प्रदेश उच्च प्रतिरोधक पातळी राखतात.

वेफर क्रमांक 44: वेफरच्या इतर भागांच्या तुलनेत फॅसट क्षेत्रांमध्ये लक्षणीयरीत्या कमी प्रतिरोधकता असते, ज्यामध्ये प्रतिरोधकतेवर फेसट प्रभाव अधिक स्पष्ट होतो.

आकडे 3(a), 3(b), आणि 3© अनुक्रमे LOPC मोडचे रमन शिफ्ट्स दर्शवतात जे वेफर्स क्रमांक 1, क्रमांक 23 आणि 44 वर वेगवेगळ्या स्थानांवर (A, B, C, D) मोजले जातात. , वाहक एकाग्रता मध्ये बदल प्रतिबिंबित.

वेफर क्रमांक 1: रमन शिफ्ट मध्यभागी (पॉइंट A) पासून काठावर (पॉइंट C) हळूहळू कमी होते, जे केंद्रापासून काठापर्यंत नायट्रोजन डोपिंग एकाग्रतेत घट दर्शवते. पॉईंट डी (फॅसेट क्षेत्र) येथे कोणतेही महत्त्वपूर्ण रमन शिफ्ट बदल दिसून आलेले नाहीत.

वेफर्स नं.23 आणि नं.44: रमन शिफ्ट फॅसट क्षेत्रांमध्ये (पॉइंट डी) जास्त आहे, उच्च नायट्रोजन डोपिंग एकाग्रता दर्शवते, कमी प्रतिरोधक मापांशी सुसंगत.

आकृती 4(a) वेफर्सच्या वेगवेगळ्या रेडियल पोझिशनवर वाहक एकाग्रता आणि रेडियल तापमान ग्रेडियंटमधील फरक दर्शविते. हे सूचित करते की वाहक एकाग्रता केंद्रापासून काठापर्यंत कमी होते, तर तापमान ग्रेडियंट सुरुवातीच्या वाढीच्या अवस्थेत मोठा असतो आणि नंतर कमी होतो.

आकृती 4(b) तापमान ग्रेडियंट (ΔT) सह फॅसेट सेंटर आणि वेफर सेंटरमधील वाहक एकाग्रतेतील फरक स्पष्ट करते. सुरुवातीच्या वाढीच्या अवस्थेत (वेफर क्रमांक 1), वाहक एकाग्रता वेफर सेंटरमध्ये फेसट सेंटरपेक्षा जास्त असते. जसजसे स्फटिक वाढत जाते, तसतसे फेसट क्षेत्रांमध्ये नायट्रोजन डोपिंग एकाग्रता हळूहळू मध्यभागी मागे जाते, Δn नकारात्मक ते सकारात्मक बदलते, जे बाजूच्या वाढीच्या यंत्रणेचे वाढते वर्चस्व दर्शवते.

आकृती 5 वेळोवेळी वेफर सेंटर आणि फेसेट सेंटरमध्ये प्रतिरोधकतेतील बदल दर्शविते. जसजसे स्फटिक वाढते, तसतसे वेफर केंद्रावरील प्रतिरोधकता 15.5 mΩ·cm वरून 23.7 mΩ·cm पर्यंत वाढते, तर बाजू केंद्रावरील प्रतिरोधकता सुरुवातीला 22.1 mΩ·cm पर्यंत वाढते आणि नंतर 19.5 mΩ·cm पर्यंत कमी होते. बाजूच्या क्षेत्रांमध्ये प्रतिरोधकतेतील घट नायट्रोजन गॅस व्हॉल्यूमेट्रिक अपूर्णांकातील बदलांशी संबंधित आहे, जे नायट्रोजन डोपिंग एकाग्रता आणि प्रतिरोधकता यांच्यातील नकारात्मक सहसंबंध दर्शवते.

निष्कर्ष

अभ्यासाचे मुख्य निष्कर्ष असे आहेत की रेडियल थर्मल ग्रेडियंट आणि क्रिस्टल फॅसेट वाढ 4H-SiC क्रिस्टल्समधील प्रतिरोधकता वितरणावर लक्षणीय परिणाम करतात:

क्रिस्टल वाढीच्या सुरुवातीच्या टप्प्यात, रेडियल थर्मल ग्रेडियंट वाहक एकाग्रता वितरण निर्धारित करते, क्रिस्टल केंद्रावर कमी प्रतिरोधकता आणि कडांवर जास्त असते.

जसजसे स्फटिक वाढते, तसतसे बाजूच्या क्षेत्रांमध्ये नायट्रोजन डोपिंग एकाग्रता वाढते, प्रतिरोधकता कमी होते, बाजूचे क्षेत्र आणि क्रिस्टल केंद्र यांच्यातील प्रतिरोधकता फरक अधिक स्पष्ट होतो.

रेडियल थर्मल ग्रेडियंटपासून फेसट ग्रोथ मेकॅनिझममध्ये प्रतिरोधकता वितरण नियंत्रणाचे संक्रमण चिन्हांकित करून, एक गंभीर तापमान ग्रेडियंट ओळखला गेला.**

मूळ स्रोत: Xie, X., Kong, Y., Xu, L., Yang, D., & Pi, X. (2024). n-प्रकार 4H-SiC क्रिस्टलच्या विद्युत प्रतिरोधकतेचे वितरण. जर्नल ऑफ क्रिस्टल ग्रोथ. https://doi.org/10.1016/j.jcrysgro.2024.127892