Sinau babagan Distribusi Resistivitas Listrik ing Kristal 4H-SiC Tipe-n

4H-SiC, minangka bahan semikonduktor generasi katelu, misuwur amarga celah pita sing amba, konduktivitas termal sing dhuwur, lan stabilitas kimia lan termal sing apik banget, dadi regane banget ing aplikasi daya dhuwur lan frekuensi dhuwur. Nanging, faktor kunci sing mengaruhi kinerja piranti kasebut yaiku distribusi resistensi listrik ing kristal 4H-SiC, utamane ing kristal ukuran gedhe ing ngendi resistivity seragam minangka masalah sing penting sajrone pertumbuhan kristal. Doping nitrogen digunakake kanggo nyetel resistivitas tipe-n 4H-SiC, nanging amarga kecerunan termal radial sing kompleks lan pola pertumbuhan kristal, distribusi resistivitas asring dadi ora rata.

Kepiye Eksperimen kasebut ditindakake?

Eksperimen nggunakake metode Physical Vapor Transport (PVT) kanggo nuwuhake kristal 4H-SiC tipe-n kanthi diameter 150 mm. Kanthi nyetel rasio campuran gas nitrogen lan argon, konsentrasi doping nitrogen dikontrol. Langkah eksperimen tartamtu kalebu:

Njaga suhu wutah kristal antarane 2100 ° C lan 2300 ° C lan tekanan wutah ing 2 mbar.

Nyetel fraksi volumetrik gas nitrogen saka wiwitan 9% mudhun dadi 6% banjur bali nganti 9% sajrone eksperimen.

Cut kristal thukul menyang wafer kira-kira 0,45 mm nglukis kanggo pangukuran resistivitas lan analisis spektroskopi Raman.

Nggunakake piranti lunak COMSOL kanggo simulasi lapangan termal sak wutah kristal kanggo luwih ngerti distribusi resistivity.

Apa Riset Nglibatake?

Panliten iki melu ngembangake kristal 4H-SiC tipe-n kanthi diameter 150 mm kanthi nggunakake metode PVT lan ngukur lan nganalisa distribusi resistivitas ing tahap pertumbuhan sing beda. Asil nuduhake yen resistivitas kristal dipengaruhi dening gradien termal radial lan mekanisme wutah kristal, nuduhake karakteristik beda ing tataran wutah beda.

Apa sing Terjadi Sajrone Tahap Awal Pertumbuhan Kristal?

Ing fase wiwitan pertumbuhan kristal, gradien termal radial paling signifikan mengaruhi distribusi resistivitas. Resistivitas luwih murah ing wilayah tengah kristal lan mboko sithik mundhak menyang pinggir, amarga gradien termal sing luwih gedhe nyebabake nyuda konsentrasi doping nitrogen saka tengah menyang pinggiran. Doping nitrogen tahap iki utamané dipengaruhi dening gradien suhu, kanthi distribusi konsentrasi operator nuduhake karakteristik sing jelas gumantung saka variasi suhu. Pangukuran spektroskopi Raman dikonfirmasi manawa konsentrasi operator luwih dhuwur ing tengah lan luwih murah ing pinggir, cocog karo asil distribusi resistivity.

Owah-owahan Apa sing Ana ing Tahap Pertumbuhan Kristal?

Minangka wutah kristal progresses, facets wutah nggedhekake, lan gradien termal radial sudo. Sajrone tahap iki, sanajan gradien termal radial isih mengaruhi distribusi resistivity, pengaruh mekanisme pertumbuhan spiral ing aspek kristal dadi katon. Resistivitas luwih murah ing wilayah facet dibandhingake karo wilayah non-faset. Analisis spektroskopi Raman saka wafer 23 nuduhake yen konsentrasi operator luwih dhuwur ing wilayah facet, nuduhake yen mekanisme pertumbuhan spiral ningkatake doping nitrogen, sing nyebabake resistensi luwih murah ing wilayah kasebut.

Apa Karakteristik Tahap Akhir Pertumbuhan Kristal?

Ing tahap pungkasan saka wutah kristal, mekanisme wutah spiral ing facet dadi dominan, luwih ngurangi resistivitas ing wilayah facet lan nambah beda resistivitas karo pusat kristal. Analisis distribusi resistivitas wafer 44 nuduhake manawa resistivitas ing wilayah facet luwih murah, cocog karo doping nitrogen sing luwih dhuwur ing wilayah kasebut. Asil kasebut nuduhake yen kanthi nambah kekandelan kristal, pengaruh mekanisme pertumbuhan spiral ing konsentrasi operator ngluwihi gradien termal radial. Konsentrasi doping nitrogen relatif seragam ing wilayah non-facet nanging luwih dhuwur ing wilayah facet, nuduhake yen mekanisme doping ing wilayah facet ngatur konsentrasi operator lan distribusi resistivity ing tahap pertumbuhan pungkasan.

Kepiye Gradien Suhu lan Doping Nitrogen?

Asil eksperimen uga nuduhake korelasi positif sing jelas antarane konsentrasi doping nitrogen lan gradien suhu. Ing tahap awal, konsentrasi doping nitrogen luwih dhuwur ing tengah lan luwih murah ing wilayah facet. Nalika kristal mundak akeh, konsentrasi doping nitrogen ing wilayah facet mboko sithik mundhak, pungkasanipun ngluwihi sing ing tengah, anjog kanggo beda resistivitas. Fenomena iki bisa dioptimalake kanthi ngontrol fraksi volumetrik gas nitrogen. Analisis simulasi numerik ngandhakake yen pangurangan ing gradien termal radial ndadékaké konsentrasi doping nitrogen sing luwih seragam, utamané katon ing tahap pertumbuhan pungkasan. Eksperimen kasebut nemtokake gradien suhu kritis (ΔT) ing ngisor iki sing distribusi resistivitas cenderung seragam.

Apa Mekanisme Doping Nitrogen?

Konsentrasi doping nitrogen ora mung dipengaruhi dening suhu lan gradien termal radial nanging uga rasio C / Si, fraksi volumetrik gas nitrogen, lan tingkat pertumbuhan. Ing wilayah non-facet, doping nitrogen utamane dikontrol dening suhu lan rasio C / Si, nalika ing wilayah facet, fraksi volumetrik gas nitrogen nduweni peran sing luwih penting. Panliten kasebut nuduhake yen kanthi nyetel fraksi volumetrik gas nitrogen ing wilayah facet, resistivity bisa dikurangi kanthi efektif, entuk konsentrasi operator sing luwih dhuwur.

Gambar 1(a) nggambarake posisi wafer sing dipilih, sing nuduhake tahap pertumbuhan kristal sing beda. Wafer No.1 makili tataran awal, No.23 tataran tengah, lan No.44 tataran pungkasan. Kanthi nganalisa wafer kasebut, peneliti bisa mbandhingake owah-owahan distribusi resistivitas ing tahap pertumbuhan sing beda.

Tokoh 1(b), 1©, lan 1(d) nuduhake peta distribusi resistivitas wafer No.1, No.23, lan No.44, ing ngendi intensitas warna nuduhake tingkat resistivitas, kanthi wilayah sing luwih peteng nuduhake posisi facet sing luwih murah. resistivitas.

Wafer No.1: Ing facets wutah cilik lan dumunung ing pojok wafer, karo resistivity dhuwur sakabèhé sing mundhak saka tengah kanggo pinggiran.

Wafer No.23: Faset wis ditambahi lan luwih cedhak karo pusat wafer, kanthi resistivitas sing luwih murah ing wilayah facet lan resistivitas sing luwih dhuwur ing wilayah non-faset.

Wafer No.44: Faset terus nggedhekake lan pindhah menyang tengah wafer, kanthi resistensi ing wilayah facet luwih murah tinimbang ing wilayah liyane.

Figure 2 (a) nuduhake variasi jembaré facets wutah sadawane arah diameteripun kristal ([1120] arah) liwat wektu. Faset berkembang saka wilayah sing luwih sempit ing tahap pertumbuhan awal menyang wilayah sing luwih akeh ing tahap sabanjure.

Tokoh 2(b), 2©, lan 2(d) nampilake distribusi resistivity ing arah diameteripun kanggo wafer No.1, No.23, lan No.44, mungguh.

Wafer No.1: Pengaruh saka facets wutah minimal, karo resistivity mboko sithik nambah saka tengah kanggo pinggiran.

Wafer No.23: The facets Ngartekno murah resistivity, nalika wilayah non-facet njaga tingkat resistivity luwih.

Wafer No.44: Wilayah facet duwe resistivity sing luwih murah tinimbang wafer liyane, kanthi efek facet ing resistivity dadi luwih jelas.

Gambar 3(a), 3(b), lan 3© nuduhake owah-owahan Raman saka mode LOPC sing diukur ing posisi sing beda (A, B, C, D) ing wafer No.1, No.23, lan No.44. , nggambarake owah-owahan ing konsentrasi operator.

Wafer No.1: shift Raman sudo mboko sithik saka tengah (Titik A) kanggo pinggiran (Titik C), nuduhake abang ing konsentrasi doping nitrogen saka tengah kanggo pinggiran. Ora ana owah-owahan shift Raman sing signifikan ing Titik D (wilayah facet).

Wafer No.23 lan No.44: Shift Raman luwih dhuwur ing wilayah facet (Titik D), nuduhake konsentrasi doping nitrogen luwih, konsisten karo pangukuran resistivity kurang.

Gambar 4(a) nuduhake variasi ing konsentrasi operator lan gradien suhu radial ing posisi radial beda saka wafer. Iki nuduhake yen konsentrasi operator mudhun saka tengah menyang pinggir, dene gradien suhu luwih gedhe ing tahap pertumbuhan awal lan banjur mudhun.

Gambar 4(b) nggambarake owah-owahan ing prabédan ing konsentrasi operator antarane facet tengah lan wafer tengah karo gradien suhu (ΔT). Ing tahap pertumbuhan awal (Wafer No.1), konsentrasi operator luwih dhuwur ing tengah wafer tinimbang ing tengah facet. Nalika kristal tuwuh, konsentrasi doping nitrogen ing wilayah facet mboko sithik ngluwihi ing tengah, kanthi Δn ganti saka negatif dadi positif, nuduhake dominasi mekanisme pertumbuhan facet.

Figure 5 nuduhake owah-owahan ing resistivity ing tengah wafer lan tengah facet liwat wektu. Nalika kristal tuwuh, resistivitas ing tengah wafer mundhak saka 15,5 mΩ·cm dadi 23,7 mΩ·cm, nalika resistivitas ing tengah facet mundhak wiwitané dadi 22,1 mΩ·cm lan banjur mudhun dadi 19,5 mΩ·cm. Penurunan resistivity ing wilayah facet hubungane karo owah-owahan ing fraksi volumetrik gas nitrogen, nuduhake korélasi negatif antarane konsentrasi doping nitrogen lan resistivity.

Kesimpulan

Kesimpulan utama saka panliten kasebut yaiku yen gradien termal radial lan pertumbuhan facet kristal nduwe pengaruh signifikan marang distribusi resistivitas ing kristal 4H-SiC:

Ing tahap awal wutah kristal, gradien termal radial nemtokake distribusi konsentrasi operator, kanthi resistivitas ngisor ing tengah kristal lan luwih dhuwur ing pinggir.

Nalika kristal tuwuh, konsentrasi doping nitrogen mundhak ing wilayah facet, ngedhunake resistivitas, kanthi bedane resistivitas antarane wilayah facet lan pusat kristal dadi luwih jelas.

Gradien suhu kritis diidentifikasi, menehi tandha transisi kontrol distribusi resistivitas saka gradien termal radial menyang mekanisme pertumbuhan facet.**

Sumber Asli: Xie, X., Kong, Y., Xu, L., Yang, D., & Pi, X. (2024). Distribusi resistivitas listrik saka kristal 4H-SiC tipe-n. Jurnal Pertumbuhan Kristal. https://doi.org/10.1016/j.jcrysgro.2024.127892