एन-टाइप 4H-SiC क्रिस्टल में विद्युत प्रतिरोधकता के वितरण पर अध्ययन

4H-SiC, तीसरी पीढ़ी के अर्धचालक पदार्थ के रूप में, अपने विस्तृत बैंडगैप, उच्च तापीय चालकता और उत्कृष्ट रासायनिक और थर्मल स्थिरता के लिए प्रसिद्ध है, जो इसे उच्च-शक्ति और उच्च-आवृत्ति अनुप्रयोगों में अत्यधिक मूल्यवान बनाता है। हालाँकि, इन उपकरणों के प्रदर्शन को प्रभावित करने वाला मुख्य कारक 4H-SiC क्रिस्टल के भीतर विद्युत प्रतिरोधकता के वितरण में निहित है, विशेष रूप से बड़े आकार के क्रिस्टल में जहां क्रिस्टल विकास के दौरान समान प्रतिरोधकता एक महत्वपूर्ण मुद्दा है। नाइट्रोजन डोपिंग का उपयोग n-प्रकार 4H-SiC की प्रतिरोधकता को समायोजित करने के लिए किया जाता है, लेकिन जटिल रेडियल थर्मल ग्रेडिएंट और क्रिस्टल विकास पैटर्न के कारण, प्रतिरोधकता वितरण अक्सर असमान हो जाता है।

प्रयोग कैसे किया गया?

प्रयोग में 150 मिमी व्यास वाले एन-प्रकार 4H-SiC क्रिस्टल विकसित करने के लिए भौतिक वाष्प परिवहन (पीवीटी) विधि का उपयोग किया गया। नाइट्रोजन और आर्गन गैसों के मिश्रण अनुपात को समायोजित करके नाइट्रोजन डोपिंग की सांद्रता को नियंत्रित किया गया। विशिष्ट प्रायोगिक चरणों में शामिल हैं:

क्रिस्टल वृद्धि तापमान को 2100°C और 2300°C के बीच और वृद्धि दबाव को 2 mbar पर बनाए रखना।

प्रयोग के दौरान नाइट्रोजन गैस के वॉल्यूमेट्रिक अंश को प्रारंभिक 9% से घटाकर 6% और फिर वापस 9% तक समायोजित करना।

प्रतिरोधकता माप और रमन स्पेक्ट्रोस्कोपी विश्लेषण के लिए विकसित क्रिस्टल को लगभग 0.45 मिमी मोटे वेफर्स में काटना।

प्रतिरोधकता वितरण को बेहतर ढंग से समझने के लिए क्रिस्टल वृद्धि के दौरान थर्मल क्षेत्र का अनुकरण करने के लिए COMSOL सॉफ़्टवेयर का उपयोग करना।

शोध में क्या शामिल था?

इस अध्ययन में पीवीटी विधि का उपयोग करके 150 मिमी व्यास वाले एन-प्रकार 4H-SiC क्रिस्टल को बढ़ाना और विभिन्न विकास चरणों में प्रतिरोधकता वितरण को मापना और विश्लेषण करना शामिल था। परिणामों से पता चला कि क्रिस्टल की प्रतिरोधकता रेडियल थर्मल ग्रेडिएंट और क्रिस्टल विकास तंत्र से प्रभावित होती है, जो विभिन्न विकास चरणों में विभिन्न विशेषताओं को प्रदर्शित करती है।

क्रिस्टल विकास के प्रारंभिक चरण के दौरान क्या होता है?

क्रिस्टल वृद्धि के प्रारंभिक चरण में, रेडियल थर्मल ग्रेडिएंट प्रतिरोधकता वितरण को सबसे महत्वपूर्ण रूप से प्रभावित करता है। क्रिस्टल के मध्य क्षेत्र में प्रतिरोधकता कम होती है और किनारों की ओर धीरे-धीरे बढ़ती है, बड़े थर्मल ग्रेडिएंट के कारण केंद्र से बाहरी इलाके तक नाइट्रोजन डोपिंग एकाग्रता में कमी आती है। इस चरण की नाइट्रोजन डोपिंग मुख्य रूप से तापमान प्रवणता से प्रभावित होती है, जिसमें वाहक एकाग्रता वितरण तापमान भिन्नता के आधार पर स्पष्ट विशेषताएं दिखाता है। रमन स्पेक्ट्रोस्कोपी माप ने पुष्टि की कि वाहक सांद्रता केंद्र में अधिक है और किनारों पर कम है, जो प्रतिरोधकता वितरण परिणामों के अनुरूप है।

क्रिस्टल विकास के मध्य चरण में क्या परिवर्तन होते हैं?

जैसे-जैसे क्रिस्टल की वृद्धि बढ़ती है, विकास पहलुओं का विस्तार होता है, और रेडियल थर्मल ग्रेडिएंट कम हो जाता है। इस चरण के दौरान, हालांकि रेडियल थर्मल ग्रेडिएंट अभी भी प्रतिरोधकता वितरण को प्रभावित करता है, क्रिस्टल पहलुओं पर सर्पिल विकास तंत्र का प्रभाव स्पष्ट हो जाता है। पहलू क्षेत्रों में प्रतिरोधकता गैर-पहलू क्षेत्रों की तुलना में उल्लेखनीय रूप से कम है। वेफर 23 के रमन स्पेक्ट्रोस्कोपी विश्लेषण से पता चला है कि पहलू क्षेत्रों में वाहक एकाग्रता काफी अधिक है, यह दर्शाता है कि सर्पिल विकास तंत्र बढ़े हुए नाइट्रोजन डोपिंग को बढ़ावा देता है, जिसके परिणामस्वरूप इन क्षेत्रों में प्रतिरोधकता कम होती है।

क्रिस्टल विकास के अंतिम चरण की विशेषताएं क्या हैं?

क्रिस्टल विकास के बाद के चरणों में, पहलुओं पर सर्पिल विकास तंत्र प्रभावी हो जाता है, जिससे पहलू क्षेत्रों में प्रतिरोधकता कम हो जाती है और क्रिस्टल केंद्र के साथ प्रतिरोधकता अंतर बढ़ जाता है। वेफर 44 के प्रतिरोधकता वितरण के विश्लेषण से पता चला कि पहलू क्षेत्रों में प्रतिरोधकता इन क्षेत्रों में उच्च नाइट्रोजन डोपिंग के अनुरूप काफी कम है। परिणामों ने संकेत दिया कि क्रिस्टल की मोटाई बढ़ने के साथ, वाहक एकाग्रता पर सर्पिल विकास तंत्र का प्रभाव रेडियल थर्मल ग्रेडिएंट से अधिक हो जाता है। नाइट्रोजन डोपिंग सांद्रता गैर-पहलू क्षेत्रों में अपेक्षाकृत समान है, लेकिन पहलू क्षेत्रों में काफी अधिक है, यह दर्शाता है कि पहलू क्षेत्रों में डोपिंग तंत्र देर से विकास चरण में वाहक एकाग्रता और प्रतिरोधकता वितरण को नियंत्रित करता है।

तापमान प्रवणता और नाइट्रोजन डोपिंग कैसे संबंधित हैं?

प्रयोग के परिणामों ने नाइट्रोजन डोपिंग सांद्रता और तापमान प्रवणता के बीच एक स्पष्ट सकारात्मक सहसंबंध भी दिखाया। प्रारंभिक चरण में, नाइट्रोजन डोपिंग सांद्रता केंद्र में अधिक और पहलू क्षेत्रों में कम होती है। जैसे-जैसे क्रिस्टल बढ़ता है, पहलू क्षेत्रों में नाइट्रोजन डोपिंग सांद्रता धीरे-धीरे बढ़ती है, अंततः केंद्र में उससे अधिक हो जाती है, जिससे प्रतिरोधकता में अंतर होता है। इस घटना को नाइट्रोजन गैस वॉल्यूमेट्रिक अंश को नियंत्रित करके अनुकूलित किया जा सकता है। संख्यात्मक सिमुलेशन विश्लेषण से पता चला कि रेडियल थर्मल ग्रेडिएंट में कमी से अधिक समान नाइट्रोजन डोपिंग एकाग्रता होती है, विशेष रूप से बाद के विकास चरणों में स्पष्ट होती है। प्रयोग ने एक महत्वपूर्ण तापमान प्रवणता (ΔT) की पहचान की जिसके नीचे प्रतिरोधकता वितरण एक समान हो जाता है।

नाइट्रोजन डोपिंग का तंत्र क्या है?

नाइट्रोजन डोपिंग सांद्रता न केवल तापमान और रेडियल थर्मल ग्रेडिएंट से प्रभावित होती है, बल्कि सी/सी अनुपात, नाइट्रोजन गैस वॉल्यूमेट्रिक अंश और विकास दर से भी प्रभावित होती है। गैर-पहलू क्षेत्रों में, नाइट्रोजन डोपिंग को मुख्य रूप से तापमान और सी/सी अनुपात द्वारा नियंत्रित किया जाता है, जबकि पहलू क्षेत्रों में, नाइट्रोजन गैस वॉल्यूमेट्रिक अंश अधिक महत्वपूर्ण भूमिका निभाता है। अध्ययन से पता चला कि पहलू क्षेत्रों में नाइट्रोजन गैस वॉल्यूमेट्रिक अंश को समायोजित करके, उच्च वाहक एकाग्रता प्राप्त करके प्रतिरोधकता को प्रभावी ढंग से कम किया जा सकता है।

चित्र 1(ए) क्रिस्टल के विभिन्न विकास चरणों का प्रतिनिधित्व करते हुए, चयनित वेफर्स की स्थिति को दर्शाता है। वेफर नंबर 1 प्रारंभिक चरण का प्रतिनिधित्व करता है, नंबर 23 मध्य चरण का, और नंबर 44 अंतिम चरण का प्रतिनिधित्व करता है। इन वेफर्स का विश्लेषण करके, शोधकर्ता विभिन्न विकास चरणों में प्रतिरोधकता वितरण परिवर्तनों की तुलना कर सकते हैं।

आंकड़े 1(बी), 1©, और 1(डी) क्रमशः वेफर्स नंबर 1, नंबर 23 और नंबर 44 के प्रतिरोधकता वितरण मानचित्र दिखाते हैं, जहां रंग की तीव्रता प्रतिरोधकता स्तर को इंगित करती है, गहरे क्षेत्र निम्न के साथ पहलू स्थिति का प्रतिनिधित्व करते हैं प्रतिरोधकता.

वेफर नंबर 1: विकास पहलू छोटे होते हैं और वेफर के किनारे पर स्थित होते हैं, समग्र उच्च प्रतिरोधकता के साथ जो केंद्र से किनारे तक बढ़ती है।

वेफर संख्या 23: पहलुओं का विस्तार हुआ है और वे वेफर केंद्र के करीब हैं, पहलू क्षेत्रों में काफी कम प्रतिरोधकता और गैर-पहलू क्षेत्रों में उच्च प्रतिरोधकता है।

वेफर संख्या 44: पहलुओं का विस्तार और वेफर केंद्र की ओर बढ़ना जारी है, पहलू क्षेत्रों में प्रतिरोधकता अन्य क्षेत्रों की तुलना में काफी कम है।

चित्र 2(ए) समय के साथ क्रिस्टल व्यास दिशा ([1120] दिशा) के साथ विकास पहलुओं की चौड़ाई में भिन्नता दिखाता है। प्रारंभिक विकास चरण में पहलू संकीर्ण क्षेत्रों से बाद के चरण में व्यापक क्षेत्रों तक विस्तारित होते हैं।

आंकड़े 2(बी), 2©, और 2(डी) क्रमशः वेफर्स नंबर 1, नंबर 23 और नंबर 44 के लिए व्यास दिशा के साथ प्रतिरोधकता वितरण प्रदर्शित करते हैं।

वेफर नंबर 1: विकास पहलुओं का प्रभाव न्यूनतम है, प्रतिरोधकता धीरे-धीरे केंद्र से किनारे तक बढ़ रही है।

वेफर संख्या 23: पहलुओं ने प्रतिरोधकता को काफी कम कर दिया है, जबकि गैर-पहलू क्षेत्र उच्च प्रतिरोधकता स्तर बनाए रखते हैं।

वेफर संख्या 44: पहलू क्षेत्रों में शेष वेफर की तुलना में काफी कम प्रतिरोधकता होती है, प्रतिरोधकता पर पहलू प्रभाव अधिक स्पष्ट होता है।

आंकड़े 3(ए), 3(बी), और 3© क्रमशः वेफर्स नंबर 1, नंबर 23 और नंबर 44 पर विभिन्न पदों (ए, बी, सी, डी) पर मापे गए एलओपीसी मोड के रमन बदलाव दिखाते हैं। , वाहक एकाग्रता में परिवर्तन को दर्शाता है।

वेफर नंबर 1: रमन शिफ्ट केंद्र (बिंदु ए) से किनारे (बिंदु सी) तक धीरे-धीरे कम हो जाती है, जो केंद्र से किनारे तक नाइट्रोजन डोपिंग एकाग्रता में कमी का संकेत देती है। बिंदु डी (पहलू क्षेत्र) पर कोई महत्वपूर्ण रमन बदलाव परिवर्तन नहीं देखा गया है।

वेफर्स नंबर 23 और नंबर 44: रमन शिफ्ट पहलू क्षेत्रों (बिंदु डी) में अधिक है, जो कम प्रतिरोधकता माप के अनुरूप, उच्च नाइट्रोजन डोपिंग एकाग्रता का संकेत देता है।

चित्र 4(ए) वेफर्स की विभिन्न रेडियल स्थितियों पर वाहक एकाग्रता और रेडियल तापमान ढाल में भिन्नता दिखाता है। यह इंगित करता है कि वाहक सांद्रता केंद्र से किनारे तक घटती जाती है, जबकि प्रारंभिक विकास चरण में तापमान प्रवणता बड़ी होती है और बाद में कम हो जाती है।

चित्र 4(बी) तापमान प्रवणता (ΔT) के साथ पहलू केंद्र और वेफर केंद्र के बीच वाहक एकाग्रता में अंतर में परिवर्तन को दर्शाता है। प्रारंभिक विकास चरण (वेफर नंबर 1) में, वाहक एकाग्रता पहलू केंद्र की तुलना में वेफर केंद्र पर अधिक होती है। जैसे-जैसे क्रिस्टल बढ़ता है, पहलू क्षेत्रों में नाइट्रोजन डोपिंग सांद्रता धीरे-धीरे केंद्र में उससे अधिक हो जाती है, जिसमें Δn नकारात्मक से सकारात्मक में बदल जाता है, जो पहलू विकास तंत्र के बढ़ते प्रभुत्व को दर्शाता है।

चित्र 5 समय के साथ वेफर केंद्र और पहलू केंद्र पर प्रतिरोधकता में परिवर्तन दिखाता है। जैसे-जैसे क्रिस्टल बढ़ता है, वेफर केंद्र पर प्रतिरोधकता 15.5 mΩ·cm से बढ़कर 23.7 mΩ·cm हो जाती है, जबकि पहलू केंद्र पर प्रतिरोधकता शुरू में 22.1 mΩ·cm तक बढ़ जाती है और फिर घटकर 19.5 mΩ·cm हो जाती है। पहलू क्षेत्रों में प्रतिरोधकता में गिरावट नाइट्रोजन गैस वॉल्यूमेट्रिक अंश में परिवर्तन से संबंधित है, जो नाइट्रोजन डोपिंग एकाग्रता और प्रतिरोधकता के बीच एक नकारात्मक सहसंबंध का संकेत देती है।

निष्कर्ष

अध्ययन के मुख्य निष्कर्ष यह हैं कि रेडियल थर्मल ग्रेडिएंट और क्रिस्टल पहलू वृद्धि 4H-SiC क्रिस्टल में प्रतिरोधकता वितरण पर महत्वपूर्ण प्रभाव डालती है:

क्रिस्टल वृद्धि के प्रारंभिक चरण में, रेडियल थर्मल ग्रेडिएंट वाहक एकाग्रता वितरण को निर्धारित करता है, क्रिस्टल केंद्र में कम प्रतिरोधकता और किनारों पर अधिक होता है।

जैसे-जैसे क्रिस्टल बढ़ता है, पहलू क्षेत्रों में नाइट्रोजन डोपिंग सांद्रता बढ़ती है, प्रतिरोधकता कम हो जाती है, पहलू क्षेत्रों और क्रिस्टल केंद्र के बीच प्रतिरोधकता अंतर अधिक स्पष्ट हो जाता है।

एक महत्वपूर्ण तापमान प्रवणता की पहचान की गई, जो रेडियल थर्मल ग्रेडिएंट से पहलू विकास तंत्र में प्रतिरोधकता वितरण नियंत्रण के संक्रमण को चिह्नित करती है।**

मूल स्रोत: झी, एक्स., कोंग, वाई., जू, एल., यांग, डी., और पाई, एक्स. (2024)। एन-प्रकार 4H-SiC क्रिस्टल की विद्युत प्रतिरोधकता का वितरण। जर्नल ऑफ़ क्रिस्टल ग्रोथ. https://doi.org/10.1016/j.jcrysgro.2024.127892