Nghiên cứu sự phân bố điện trở suất trong tinh thể 4H-SiC loại n

4H-SiC, với tư cách là vật liệu bán dẫn thế hệ thứ ba, nổi tiếng với dải tần rộng, độ dẫn nhiệt cao và độ ổn định nhiệt và hóa học tuyệt vời, khiến nó có giá trị cao trong các ứng dụng năng lượng cao và tần số cao. Tuy nhiên, yếu tố chính ảnh hưởng đến hiệu suất của các thiết bị này nằm ở sự phân bố điện trở suất trong tinh thể 4H-SiC, đặc biệt là trong các tinh thể có kích thước lớn trong đó điện trở suất đồng đều là vấn đề cấp bách trong quá trình phát triển tinh thể. Sự pha tạp nitơ được sử dụng để điều chỉnh điện trở suất của 4H-SiC loại n, nhưng do gradient nhiệt xuyên tâm phức tạp và mô hình phát triển tinh thể, sự phân bố điện trở suất thường trở nên không đồng đều.

Thí nghiệm được tiến hành như thế nào?

Thí nghiệm sử dụng phương pháp Vận chuyển hơi vật lý (PVT) để nuôi cấy tinh thể 4H-SiC loại n có đường kính 150 mm. Bằng cách điều chỉnh tỷ lệ hỗn hợp khí nitơ và khí argon, nồng độ pha tạp nitơ đã được kiểm soát. Các bước thực nghiệm cụ thể bao gồm:

Duy trì nhiệt độ phát triển tinh thể trong khoảng từ 2100°C đến 2300°C và áp suất phát triển ở mức 2 mbar.

Điều chỉnh phần thể tích của khí nitơ từ 9% ban đầu xuống 6% và sau đó tăng lên 9% trong quá trình thí nghiệm.

Cắt tinh thể phát triển thành các tấm mỏng có độ dày khoảng 0,45 mm để đo điện trở suất và phân tích quang phổ Raman.

Sử dụng phần mềm COMSOL mô phỏng trường nhiệt trong quá trình phát triển tinh thể để hiểu rõ hơn về phân bố điện trở suất.

Nghiên cứu có liên quan gì?

Nghiên cứu này liên quan đến việc phát triển các tinh thể 4H-SiC loại n có đường kính 150 mm bằng phương pháp PVT, đồng thời đo và phân tích sự phân bố điện trở suất ở các giai đoạn phát triển khác nhau. Kết quả cho thấy điện trở suất của tinh thể bị ảnh hưởng bởi gradient nhiệt xuyên tâm và cơ chế phát triển tinh thể, biểu hiện các đặc tính khác nhau ở các giai đoạn phát triển khác nhau.

Điều gì xảy ra trong giai đoạn đầu của quá trình phát triển tinh thể?

Trong giai đoạn đầu của quá trình phát triển tinh thể, gradient nhiệt xuyên tâm ảnh hưởng đáng kể nhất đến sự phân bố điện trở suất. Điện trở suất thấp hơn ở khu vực trung tâm của tinh thể và tăng dần về phía các cạnh, do gradient nhiệt lớn hơn làm giảm nồng độ pha tạp nitơ từ trung tâm ra phía ngoài. Sự pha tạp nitơ của giai đoạn này chủ yếu bị ảnh hưởng bởi gradient nhiệt độ, với sự phân bố nồng độ chất mang thể hiện các đặc tính rõ ràng tùy thuộc vào sự thay đổi nhiệt độ. Các phép đo quang phổ Raman xác nhận rằng nồng độ chất mang cao hơn ở trung tâm và thấp hơn ở các cạnh, tương ứng với kết quả phân bố điện trở suất.

Những thay đổi nào xảy ra ở giai đoạn giữa của quá trình phát triển tinh thể?

Khi tinh thể phát triển, các mặt tăng trưởng mở rộng và gradient nhiệt xuyên tâm giảm. Trong giai đoạn này, mặc dù gradient nhiệt xuyên tâm vẫn ảnh hưởng đến sự phân bố điện trở suất, nhưng ảnh hưởng của cơ chế tăng trưởng xoắn ốc lên các mặt tinh thể trở nên rõ ràng. Điện trở suất thấp hơn đáng kể ở các vùng thuộc diện so với các vùng không thuộc diện. Phân tích quang phổ Raman của wafer 23 cho thấy nồng độ chất mang cao hơn đáng kể ở các vùng bề mặt, cho thấy cơ chế tăng trưởng xoắn ốc thúc đẩy tăng độ pha tạp nitơ, dẫn đến điện trở suất thấp hơn ở các vùng này.

Đặc điểm của giai đoạn cuối của sự phát triển tinh thể là gì?

Trong các giai đoạn phát triển tinh thể sau này, cơ chế tăng trưởng xoắn ốc trên các mặt trở nên chiếm ưu thế, làm giảm thêm điện trở suất ở các vùng mặt và tăng chênh lệch điện trở suất với tâm tinh thể. Phân tích sự phân bố điện trở suất của tấm wafer 44 cho thấy điện trở suất ở các vùng bề mặt thấp hơn đáng kể, tương ứng với lượng pha tạp nitơ cao hơn ở những vùng này. Kết quả chỉ ra rằng khi độ dày tinh thể tăng lên, ảnh hưởng của cơ chế tăng trưởng xoắn ốc đến nồng độ chất mang sẽ vượt qua độ dốc nhiệt xuyên tâm. Nồng độ pha tạp nitơ tương đối đồng đều ở các vùng không thuộc mặt nhưng cao hơn đáng kể ở các vùng mặt, cho thấy cơ chế pha tạp ở các vùng mặt chi phối nồng độ chất mang và phân bố điện trở suất trong giai đoạn tăng trưởng muộn.

Độ dốc nhiệt độ và pha tạp nitơ có liên quan như thế nào?

Kết quả thí nghiệm cũng cho thấy mối tương quan thuận rõ ràng giữa nồng độ pha tạp nitơ và gradient nhiệt độ. Ở giai đoạn đầu, nồng độ pha tạp nitơ cao hơn ở trung tâm và thấp hơn ở các vùng mặt. Khi tinh thể phát triển, nồng độ pha tạp nitơ ở các vùng bề mặt tăng dần, cuối cùng vượt qua nồng độ ở trung tâm, dẫn đến sự khác biệt về điện trở suất. Hiện tượng này có thể được tối ưu hóa bằng cách kiểm soát phần thể tích khí nitơ. Phân tích mô phỏng số cho thấy việc giảm gradient nhiệt xuyên tâm dẫn đến nồng độ pha tạp nitơ đồng đều hơn, đặc biệt rõ ràng ở các giai đoạn tăng trưởng sau này. Thí nghiệm đã xác định một gradient nhiệt độ tới hạn (ΔT) mà dưới đó sự phân bố điện trở suất có xu hướng trở nên đồng đều.

Cơ chế pha tạp nitơ là gì?

Nồng độ pha tạp nitơ bị ảnh hưởng không chỉ bởi nhiệt độ và gradient nhiệt hướng tâm mà còn bởi tỷ lệ C/Si, phần thể tích khí nitơ và tốc độ tăng trưởng. Ở các vùng không có mặt, pha tạp nitơ chủ yếu được kiểm soát bởi nhiệt độ và tỷ lệ C/Si, trong khi ở các vùng không có mặt, phần thể tích khí nitơ đóng vai trò quan trọng hơn. Nghiên cứu cho thấy rằng bằng cách điều chỉnh phần thể tích khí nitơ ở các vùng bề mặt, điện trở suất có thể giảm một cách hiệu quả, đạt được nồng độ chất mang cao hơn.

Hình 1(a) mô tả vị trí của các tấm bán dẫn được chọn, thể hiện các giai đoạn phát triển khác nhau của tinh thể. Tấm wafer số 1 đại diện cho giai đoạn đầu, số 23 là giai đoạn giữa và số 44 là giai đoạn cuối. Bằng cách phân tích các tấm bán dẫn này, các nhà nghiên cứu có thể so sánh sự thay đổi phân bố điện trở suất ở các giai đoạn phát triển khác nhau.

Các hình 1(b), 1© và 1(d) lần lượt hiển thị bản đồ phân bố điện trở suất của các tấm wafer số 1, số 23 và số 44, trong đó cường độ màu biểu thị mức điện trở suất, với các vùng tối hơn biểu thị các vị trí mặt có giá trị thấp hơn điện trở suất.

Tấm wafer số 1: Các mặt tăng trưởng nhỏ và nằm ở rìa của tấm wafer, có điện trở suất tổng thể cao tăng từ tâm đến mép.

Tấm wafer số 23: Các mặt đã mở rộng và gần với tâm tấm wafer hơn, với điện trở suất thấp hơn đáng kể ở các vùng mặt và điện trở suất cao hơn ở các vùng không có mặt.

Tấm wafer số 44: Các mặt tiếp tục mở rộng và di chuyển về phía trung tâm tấm wafer, với điện trở suất ở các vùng mặt này thấp hơn rõ rệt so với các khu vực khác.

Hình 2(a) cho thấy sự thay đổi chiều rộng của các mặt tăng trưởng dọc theo hướng đường kính tinh thể (hướng [1120]) theo thời gian. Các khía cạnh mở rộng từ các vùng hẹp hơn trong giai đoạn tăng trưởng ban đầu đến các vùng rộng hơn ở giai đoạn sau.

Hình 2(b), 2© và 2(d) lần lượt hiển thị phân bố điện trở suất dọc theo hướng đường kính của các tấm bán dẫn số 1, số 23 và số 44.

Tấm wafer số 1: Ảnh hưởng của các mặt tăng trưởng là tối thiểu, với điện trở suất tăng dần từ tâm đến mép.

Tấm wafer số 23: Các mặt có điện trở suất thấp hơn đáng kể, trong khi các vùng không có mặt vẫn duy trì mức điện trở suất cao hơn.

Tấm wafer số 44: Các vùng bề mặt có điện trở suất thấp hơn đáng kể so với phần còn lại của tấm wafer, với ảnh hưởng của bề mặt lên điện trở suất trở nên rõ rệt hơn.

Hình 3(a), 3(b) và 3© lần lượt hiển thị sự dịch chuyển Raman của chế độ LOPC được đo ở các vị trí khác nhau (A, B, C, D) trên các tấm wafer số 1, số 23 và số 44 , phản ánh sự thay đổi nồng độ chất mang.

Wafer số 1: Độ dịch chuyển Raman giảm dần từ tâm (Điểm A) ra rìa (Điểm C), cho thấy nồng độ pha tạp nitơ từ tâm ra rìa giảm dần. Không quan sát thấy sự thay đổi dịch chuyển Raman đáng kể tại Điểm D (vùng khía cạnh).

Tấm wafer số 23 và số 44: Sự dịch chuyển Raman cao hơn ở các vùng bề mặt (Điểm D), cho thấy nồng độ pha tạp nitơ cao hơn, phù hợp với các phép đo điện trở suất thấp.

Hình 4(a) cho thấy sự thay đổi nồng độ chất mang và gradient nhiệt độ hướng tâm ở các vị trí hướng tâm khác nhau của tấm bán dẫn. Nó chỉ ra rằng nồng độ chất mang giảm từ tâm đến rìa, trong khi gradient nhiệt độ lớn hơn ở giai đoạn đầu tăng trưởng và giảm dần sau đó.

Hình 4(b) minh họa sự thay đổi về chênh lệch nồng độ chất mang giữa tâm bề mặt và tâm tấm bán dẫn với gradient nhiệt độ (ΔT). Trong giai đoạn phát triển ban đầu (Wafer số 1), nồng độ chất mang ở trung tâm wafer cao hơn ở trung tâm khía cạnh. Khi tinh thể phát triển, nồng độ pha tạp nitơ ở các vùng bề mặt dần dần vượt qua nồng độ ở trung tâm, với Δn thay đổi từ âm sang dương, cho thấy cơ chế tăng trưởng bề mặt ngày càng chiếm ưu thế.

Hình 5 cho thấy sự thay đổi điện trở suất ở tâm tấm bán dẫn và tâm mặt cắt theo thời gian. Khi tinh thể phát triển, điện trở suất ở tâm tấm bán dẫn tăng từ 15,5 mΩ·cm lên 23,7 mΩ·cm, trong khi điện trở suất ở tâm bề mặt ban đầu tăng lên 22,1 mΩ·cm và sau đó giảm xuống 19,5 mΩ·cm. Sự suy giảm điện trở suất ở các vùng bề mặt tương quan với sự thay đổi về phần thể tích khí nitơ, cho thấy mối tương quan nghịch giữa nồng độ pha tạp nitơ và điện trở suất.

Kết luận

Các kết luận chính của nghiên cứu là gradient nhiệt xuyên tâm và sự phát triển của mặt tinh thể tác động đáng kể đến sự phân bố điện trở suất trong tinh thể 4H-SiC:

Trong giai đoạn đầu của quá trình phát triển tinh thể, gradient nhiệt xuyên tâm xác định sự phân bố nồng độ chất mang, với điện trở suất thấp hơn ở tâm tinh thể và cao hơn ở các cạnh.

Khi tinh thể phát triển, nồng độ pha tạp nitơ tăng lên ở các vùng bề mặt, làm giảm điện trở suất, với sự chênh lệch điện trở suất giữa các vùng bề mặt và tâm tinh thể trở nên rõ ràng hơn.

Một gradient nhiệt độ tới hạn đã được xác định, đánh dấu sự chuyển đổi điều khiển phân bố điện trở suất từ ​​gradient nhiệt xuyên tâm sang cơ chế tăng trưởng mặt.**

Nguồn gốc: Xie, X., Kong, Y., Xu, L., Yang, D., & Pi, X. (2024). Phân bố điện trở suất của tinh thể 4H-SiC loại n. Tạp chí tăng trưởng tinh thể. https://doi.org/10.1016/j.jcrysgro.2024.127892