การศึกษาการกระจายตัวของความต้านทานไฟฟ้าในผลึก 4H-SiC ชนิด n-Type

4H-SiC เป็นวัสดุเซมิคอนดักเตอร์รุ่นที่สาม มีชื่อเสียงในด้านแถบความถี่กว้าง ค่าการนำความร้อนสูง และความเสถียรทางเคมีและความร้อนที่ดีเยี่ยม ทำให้มีคุณค่าสูงในการใช้งานที่มีกำลังสูงและความถี่สูง อย่างไรก็ตาม ปัจจัยสำคัญที่ส่งผลต่อประสิทธิภาพของอุปกรณ์เหล่านี้อยู่ที่การกระจายตัวของความต้านทานไฟฟ้าภายในคริสตัล 4H-SiC โดยเฉพาะอย่างยิ่งในคริสตัลขนาดใหญ่ที่ความต้านทานไฟฟ้าสม่ำเสมอเป็นปัญหาเร่งด่วนในระหว่างการเติบโตของคริสตัล การเติมไนโตรเจนใช้ในการปรับความต้านทานของ 4H-SiC ชนิด n แต่เนื่องจากการไล่ระดับความร้อนในแนวรัศมีที่ซับซ้อนและรูปแบบการเติบโตของคริสตัล การกระจายของความต้านทานมักจะไม่สม่ำเสมอ

การทดลองดำเนินการอย่างไร?

การทดลองนี้ใช้วิธีการขนส่งไอทางกายภาพ (PVT) เพื่อสร้างผลึก 4H-SiC ชนิด n ที่มีเส้นผ่านศูนย์กลาง 150 มม. โดยการปรับอัตราส่วนส่วนผสมของไนโตรเจนและก๊าซอาร์กอน ความเข้มข้นของการเติมไนโตรเจนจึงถูกควบคุม ขั้นตอนการทดลองเฉพาะได้แก่:

รักษาอุณหภูมิการเติบโตของผลึกให้อยู่ระหว่าง 2100°C ถึง 2300°C และความดันการเติบโตที่ 2 มิลลิบาร์

การปรับสัดส่วนปริมาตรของก๊าซไนโตรเจนจากเริ่มต้น 9% เหลือ 6% จากนั้นสำรองเป็น 9% ในระหว่างการทดลอง

ตัดคริสตัลที่โตแล้วเป็นแผ่นเวเฟอร์หนาประมาณ 0.45 มม. สำหรับการวัดค่าความต้านทานและการวิเคราะห์รามานสเปกโทรสโกปี

การใช้ซอฟต์แวร์ COMSOL เพื่อจำลองสนามความร้อนระหว่างการเติบโตของคริสตัลเพื่อให้เข้าใจการกระจายตัวของความต้านทานได้ดียิ่งขึ้น

การวิจัยเกี่ยวข้องกับอะไร?

การศึกษานี้เกี่ยวข้องกับการปลูกผลึก 4H-SiC ชนิด n ที่มีเส้นผ่านศูนย์กลาง 150 มม. โดยใช้วิธี PVT และการวัดและวิเคราะห์การกระจายตัวของความต้านทานที่ระยะการเติบโตต่างๆ ผลการวิจัยพบว่าความต้านทานของคริสตัลได้รับอิทธิพลจากการไล่ระดับความร้อนในแนวรัศมีและกลไกการเติบโตของคริสตัล ซึ่งแสดงคุณลักษณะที่แตกต่างกันในระยะการเติบโตที่ต่างกัน

เกิดอะไรขึ้นในช่วงแรกของการเติบโตของคริสตัล?

ในระยะเริ่มต้นของการเจริญเติบโตของผลึก การไล่ระดับความร้อนในแนวรัศมีส่งผลต่อการกระจายตัวของความต้านทานอย่างมีนัยสำคัญที่สุด ความต้านทานจะลดลงในบริเวณตอนกลางของคริสตัลและค่อยๆ เพิ่มขึ้นไปจนถึงขอบ เนื่องจากการไล่ระดับความร้อนที่มากขึ้น ทำให้ความเข้มข้นของสารเติมไนโตรเจนลดลงจากศูนย์กลางไปยังชานเมือง การเติมไนโตรเจนในขั้นตอนนี้ได้รับอิทธิพลเป็นหลักจากการไล่ระดับอุณหภูมิ โดยการกระจายความเข้มข้นของตัวพาจะแสดงคุณลักษณะที่ชัดเจน ขึ้นอยู่กับการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิ การตรวจวัดรามานสเปกโทรสโกปียืนยันว่าความเข้มข้นของตัวพาจะสูงขึ้นที่ศูนย์กลางและต่ำกว่าที่ขอบ ซึ่งสอดคล้องกับผลลัพธ์การกระจายตัวของความต้านทาน

การเปลี่ยนแปลงใดเกิดขึ้นในช่วงกลางของการเติบโตของคริสตัล

เมื่อการเติบโตของผลึกดำเนินไป ด้านการเติบโตจะขยายตัว และการไล่ระดับความร้อนในแนวรัศมีจะลดลง ในระหว่างขั้นตอนนี้ แม้ว่าการไล่ระดับความร้อนในแนวรัศมียังคงส่งผลต่อการกระจายตัวของความต้านทาน แต่อิทธิพลของกลไกการเติบโตของเกลียวบนด้านคริสตัลก็ปรากฏชัดเจน ความต้านทานลดลงอย่างเห็นได้ชัดในบริเวณด้านเมื่อเปรียบเทียบกับบริเวณที่ไม่ใช่ด้าน การวิเคราะห์รามานสเปกโทรสโกปีของเวเฟอร์ 23 แสดงให้เห็นว่าความเข้มข้นของพาหะสูงขึ้นอย่างมีนัยสำคัญในบริเวณด้าน ซึ่งบ่งชี้ว่ากลไกการเติบโตของเกลียวช่วยเพิ่มการเติมไนโตรเจน ส่งผลให้ความต้านทานลดลงในบริเวณเหล่านี้

ลักษณะของระยะสุดท้ายของการเติบโตของคริสตัลมีอะไรบ้าง?

ในระยะต่อมาของการเติบโตของคริสตัล กลไกการเติบโตของแบบก้นหอยบนเหลี่ยมเพชรจะมีความโดดเด่น ซึ่งจะช่วยลดความต้านทานในบริเวณด้านข้างและเพิ่มความแตกต่างของความต้านทานกับศูนย์กลางของคริสตัล การวิเคราะห์การกระจายความต้านทานของเวเฟอร์ 44 พบว่าความต้านทานในบริเวณด้านลดลงอย่างมีนัยสำคัญ ซึ่งสอดคล้องกับการเติมไนโตรเจนที่สูงขึ้นในพื้นที่เหล่านี้ ผลการวิจัยชี้ให้เห็นว่าด้วยความหนาของผลึกที่เพิ่มขึ้น อิทธิพลของกลไกการเติบโตของเกลียวต่อความเข้มข้นของพาหะจะเกินกว่าการไล่ระดับความร้อนในแนวรัศมี ความเข้มข้นของสารเติมไนโตรเจนค่อนข้างสม่ำเสมอในบริเวณที่ไม่ใช่ด้าน แต่สูงกว่าอย่างมีนัยสำคัญในบริเวณด้าน ซึ่งบ่งชี้ว่ากลไกการใช้สารต้องห้ามในบริเวณด้านควบคุมความเข้มข้นของตัวพาและการกระจายความต้านทานในระยะการเจริญเติบโตตอนปลาย

การไล่ระดับอุณหภูมิและการเติมไนโตรเจนเกี่ยวข้องกันอย่างไร

ผลการทดลองยังแสดงให้เห็นความสัมพันธ์เชิงบวกที่ชัดเจนระหว่างความเข้มข้นของสารเติมไนโตรเจนและการไล่ระดับของอุณหภูมิ ในระยะแรก ความเข้มข้นของสารเติมไนโตรเจนจะสูงขึ้นที่บริเวณตรงกลางและต่ำกว่าในบริเวณด้านข้าง เมื่อคริสตัลเติบโตขึ้น ความเข้มข้นของสารเติมไนโตรเจนในบริเวณด้านจะค่อยๆ เพิ่มขึ้น ซึ่งท้ายที่สุดจะเกินกว่าความเข้มข้นของสารเติมที่อยู่ตรงกลาง ซึ่งนำไปสู่ความแตกต่างของความต้านทาน ปรากฏการณ์นี้สามารถปรับให้เหมาะสมได้โดยการควบคุมเศษส่วนปริมาตรของก๊าซไนโตรเจน การวิเคราะห์การจำลองเชิงตัวเลขพบว่าการลดลงของการไล่ระดับความร้อนในแนวรัศมีทำให้ความเข้มข้นของสารเติมไนโตรเจนมีความสม่ำเสมอมากขึ้น โดยเฉพาะอย่างยิ่งที่เห็นได้ชัดในระยะต่อมาของการเติบโต การทดลองระบุความลาดชันของอุณหภูมิวิกฤติ (ΔT) ที่ต่ำกว่า ซึ่งการกระจายตัวของความต้านทานมีแนวโน้มที่จะสม่ำเสมอ

กลไกของการเติมไนโตรเจนคืออะไร?

ความเข้มข้นของสารเติมไนโตรเจนไม่เพียงได้รับอิทธิพลจากอุณหภูมิและการไล่ระดับความร้อนในแนวรัศมีเท่านั้น แต่ยังรวมถึงอัตราส่วน C/Si เศษส่วนปริมาตรของก๊าซไนโตรเจน และอัตราการเติบโตด้วย ในบริเวณที่ไม่ใช่ด้าน การเติมไนโตรเจนจะถูกควบคุมโดยอุณหภูมิและอัตราส่วน C/Si เป็นหลัก ในขณะที่ในบริเวณด้าน สัดส่วนปริมาตรของก๊าซไนโตรเจนมีบทบาทสำคัญมากกว่า การศึกษาแสดงให้เห็นว่าด้วยการปรับเศษส่วนปริมาตรของก๊าซไนโตรเจนในบริเวณด้าน ความต้านทานจะลดลงได้อย่างมีประสิทธิภาพ ส่งผลให้มีความเข้มข้นของพาหะสูงขึ้น

รูปที่ 1(a) แสดงให้เห็นตำแหน่งของเวเฟอร์ที่เลือก ซึ่งแสดงถึงระยะการเติบโตที่แตกต่างกันของคริสตัล เวเฟอร์หมายเลข 1 หมายถึงระยะเริ่มต้น หมายเลข 23 หมายถึงระยะกลาง และหมายเลข 44 หมายถึงระยะปลาย ด้วยการวิเคราะห์เวเฟอร์เหล่านี้ นักวิจัยสามารถเปรียบเทียบการเปลี่ยนแปลงการกระจายตัวของความต้านทานในระยะการเจริญเติบโตต่างๆ ได้

รูปที่ 1(b), 1© และ 1(d) แสดงให้เห็นแผนผังการกระจายความต้านทานของเวเฟอร์หมายเลข 1, หมายเลข 23 และหมายเลข 44 ตามลำดับ โดยที่ความเข้มของสีบ่งบอกถึงระดับความต้านทาน โดยบริเวณที่เข้มกว่าจะแสดงตำแหน่งของด้านที่ต่ำกว่า ความต้านทาน

เวเฟอร์หมายเลข 1: ด้านการเติบโตมีขนาดเล็กและอยู่ที่ขอบของเวเฟอร์ โดยมีความต้านทานโดยรวมสูงซึ่งจะเพิ่มขึ้นจากศูนย์กลางไปยังขอบ

เวเฟอร์หมายเลข 23: เหลี่ยมมีการขยายตัวและอยู่ใกล้กับศูนย์กลางของเวเฟอร์มากขึ้น โดยมีความต้านทานลดลงอย่างมากในบริเวณด้านและความต้านทานสูงขึ้นในบริเวณที่ไม่ใช่ด้าน

เวเฟอร์หมายเลข 44: แง่มุมยังคงขยายและเคลื่อนไปยังศูนย์กลางของเวเฟอร์ โดยมีความต้านทานในบริเวณด้านที่ต่ำกว่าในพื้นที่อื่นๆ อย่างเห็นได้ชัด

รูปที่ 2(a) แสดงการเปลี่ยนแปลงความกว้างของด้านการเติบโตตามทิศทางเส้นผ่านศูนย์กลางของคริสตัล (ทิศทาง [1120]) เมื่อเวลาผ่านไป แง่มุมต่างๆ จะขยายจากบริเวณที่แคบลงในช่วงการเจริญเติบโตระยะแรก ไปยังพื้นที่ที่กว้างขึ้นในระยะต่อมา

รูปที่ 2(b), 2© และ 2(d) แสดงการกระจายความต้านทานตามทิศทางเส้นผ่านศูนย์กลางสำหรับเวเฟอร์หมายเลข 1, หมายเลข 23 และหมายเลข 44 ตามลำดับ

เวเฟอร์หมายเลข 1: อิทธิพลของด้านการเติบโตมีน้อย โดยความต้านทานจะค่อยๆ เพิ่มขึ้นจากกึ่งกลางถึงขอบ

เวเฟอร์หมายเลข 23: ด้านที่ลดความต้านทานลงอย่างมาก ในขณะที่บริเวณที่ไม่ใช่ด้านจะรักษาระดับความต้านทานให้สูงขึ้น

เวเฟอร์หมายเลข 44: บริเวณด้านที่มีความต้านทานต่ำกว่าส่วนอื่นๆ ของเวเฟอร์อย่างมีนัยสำคัญ โดยที่ด้านผลกระทบต่อความต้านทานจะเด่นชัดมากขึ้น

รูปที่ 3(a), 3(b) และ 3© ตามลำดับแสดง Raman shift ของโหมด LOPC ที่วัดที่ตำแหน่งต่างๆ (A, B, C, D) บนเวเฟอร์หมายเลข 1, หมายเลข 23 และหมายเลข 44 ซึ่งสะท้อนถึงการเปลี่ยนแปลงความเข้มข้นของตัวพา

เวเฟอร์หมายเลข 1: การเคลื่อนตัวของรามานจะค่อยๆ ลดลงจากจุดศูนย์กลาง (จุด A) ไปยังขอบ (จุด C) ซึ่งบ่งชี้ถึงความเข้มข้นของสารเติมไนโตรเจนที่ลดลงจากกึ่งกลางถึงขอบ ไม่พบการเปลี่ยนแปลงการเปลี่ยนแปลงรามานที่มีนัยสำคัญที่จุด D (บริเวณด้านด้าน)

เวเฟอร์หมายเลข 23 และหมายเลข 44: การเคลื่อนตัวของรามานจะสูงขึ้นในบริเวณด้าน (จุด D) ซึ่งบ่งชี้ถึงความเข้มข้นของสารเติมไนโตรเจนที่สูงขึ้น ซึ่งสอดคล้องกับการวัดค่าความต้านทานต่ำ

รูปที่ 4(a) แสดงความแปรผันในความเข้มข้นของพาหะและการไล่ระดับของอุณหภูมิในแนวรัศมีที่ตำแหน่งรัศมีต่างๆ ของเวเฟอร์ บ่งชี้ว่าความเข้มข้นของพาหะลดลงจากกึ่งกลางไปยังขอบ ในขณะที่การไล่ระดับของอุณหภูมิจะมีมากขึ้นในช่วงการเจริญเติบโตระยะแรกและลดลงในเวลาต่อมา

รูปที่ 4(b) แสดงให้เห็นการเปลี่ยนแปลงในความเข้มข้นของพาหะระหว่างศูนย์กลางด้านและศูนย์กลางเวเฟอร์ที่มีการไล่ระดับอุณหภูมิ (ΔT) ในระยะเริ่มต้นของการเจริญเติบโต (เวเฟอร์หมายเลข 1) ความเข้มข้นของตัวพาที่ศูนย์กลางของเวเฟอร์จะสูงกว่าที่ศูนย์กลางด้าน เมื่อคริสตัลเติบโตขึ้น ความเข้มข้นของสารเติมไนโตรเจนในบริเวณด้านจะค่อยๆ เกินกว่านั้นที่อยู่ตรงกลาง โดยที่ Δn เปลี่ยนจากลบเป็นบวก ซึ่งบ่งชี้ถึงความโดดเด่นที่เพิ่มขึ้นของกลไกการเติบโตของด้าน

รูปที่ 5 แสดงการเปลี่ยนแปลงของความต้านทานที่ศูนย์กลางเวเฟอร์และศูนย์กลางด้านเมื่อเวลาผ่านไป เมื่อคริสตัลโตขึ้น ความต้านทานที่ศูนย์กลางของเวเฟอร์จะเพิ่มขึ้นจาก 15.5 mΩ·cm เป็น 23.7 mΩ·cm ในขณะที่ความต้านทานที่ศูนย์กลางด้านเพิ่มขึ้นเป็น 22.1 mΩ·cm ในตอนแรก จากนั้นลดลงเป็น 19.5 mΩ·cm การลดลงของความต้านทานในบริเวณด้านมีความสัมพันธ์กับการเปลี่ยนแปลงของเศษส่วนปริมาตรของก๊าซไนโตรเจน ซึ่งบ่งชี้ความสัมพันธ์เชิงลบระหว่างความเข้มข้นของสารเติมไนโตรเจนและความต้านทาน

ข้อสรุป

ข้อสรุปที่สำคัญของการศึกษาคือ การไล่ระดับความร้อนในแนวรัศมีและการเติบโตของด้านคริสตัลส่งผลกระทบอย่างมีนัยสำคัญต่อการกระจายตัวของความต้านทานในผลึก 4H-SiC:

ในระยะแรกของการเติบโตของคริสตัล การไล่ระดับความร้อนในแนวรัศมีจะกำหนดการกระจายความเข้มข้นของตัวพา โดยมีความต้านทานต่ำที่ศูนย์กลางคริสตัลและสูงขึ้นที่ขอบ

เมื่อคริสตัลโตขึ้น ความเข้มข้นของสารเติมไนโตรเจนจะเพิ่มขึ้นในบริเวณด้าน ส่งผลให้ความต้านทานลดลง โดยความแตกต่างของความต้านทานระหว่างบริเวณด้านและศูนย์กลางของคริสตัลจะชัดเจนมากขึ้น

มีการระบุการไล่ระดับอุณหภูมิวิกฤต ซึ่งบ่งบอกถึงการเปลี่ยนแปลงของการควบคุมการกระจายความต้านทานจากการไล่ระดับความร้อนในแนวรัศมีไปเป็นกลไกการเติบโตของด้าน**

แหล่งที่มาดั้งเดิม: Xie, X., Kong, Y., Xu, L., Yang, D., & Pi, X. (2024) การกระจายความต้านทานไฟฟ้าของคริสตัล 4H-SiC ชนิด n วารสารการเติบโตของคริสตัล https://doi.org/10.1016/j.jcrysgro.2024.127892