El estudio sobre la distribución de la resistividad eléctrica en cristales de 4H-SiC tipo n

El 4H-SiC, como material semiconductor de tercera generación, es conocido por su amplia banda prohibida, alta conductividad térmica y excelente estabilidad química y térmica, lo que lo hace muy valioso en aplicaciones de alta potencia y alta frecuencia. Sin embargo, el factor clave que afecta el rendimiento de estos dispositivos radica en la distribución de la resistividad eléctrica dentro del cristal de 4H-SiC, especialmente en cristales de gran tamaño donde la resistividad uniforme es un problema apremiante durante el crecimiento del cristal. El dopaje con nitrógeno se utiliza para ajustar la resistividad del 4H-SiC tipo n, pero debido al complejo gradiente térmico radial y los patrones de crecimiento de los cristales, la distribución de la resistividad a menudo se vuelve desigual.

¿Cómo se realizó el experimento?

El experimento utilizó el método de transporte físico de vapor (PVT) para hacer crecer cristales de 4H-SiC de tipo n con un diámetro de 150 mm. Ajustando la proporción de mezcla de gases nitrógeno y argón, se controló la concentración de dopaje con nitrógeno. Los pasos experimentales específicos incluyeron:

Manteniendo la temperatura de crecimiento de los cristales entre 2100°C y 2300°C y la presión de crecimiento a 2 mbar.

Ajustar la fracción volumétrica de gas nitrógeno desde un 9% inicial hasta un 6% y luego volver a subir hasta un 9% durante el experimento.

Cortar el cristal crecido en obleas de aproximadamente 0,45 mm de espesor para medir la resistividad y analizar la espectroscopía Raman.

Uso del software COMSOL para simular el campo térmico durante el crecimiento de los cristales para comprender mejor la distribución de resistividad.

¿Qué implicó la investigación?

Este estudio implicó el cultivo de cristales de 4H-SiC tipo n con un diámetro de 150 mm utilizando el método PVT y la medición y análisis de la distribución de resistividad en diferentes etapas de crecimiento. Los resultados mostraron que la resistividad del cristal está influenciada por el gradiente térmico radial y el mecanismo de crecimiento del cristal, exhibiendo diferentes características en diferentes etapas de crecimiento.

¿Qué sucede durante la etapa inicial del crecimiento de los cristales?

En la fase inicial del crecimiento del cristal, el gradiente térmico radial afecta más significativamente la distribución de resistividad. La resistividad es menor en la región central del cristal y aumenta gradualmente hacia los bordes, debido a un mayor gradiente térmico que provoca una disminución en la concentración de dopaje de nitrógeno desde el centro hacia las afueras. El dopaje con nitrógeno de esta etapa está influenciado principalmente por el gradiente de temperatura, y la distribución de la concentración de portadores muestra características claras dependiendo de las variaciones de temperatura. Las mediciones de espectroscopia Raman confirmaron que la concentración de portadores es mayor en el centro y menor en los bordes, lo que corresponde con los resultados de la distribución de resistividad.

¿Qué cambios ocurren en la etapa intermedia del crecimiento de los cristales?

A medida que avanza el crecimiento del cristal, las facetas de crecimiento se expanden y el gradiente térmico radial disminuye. Durante esta etapa, aunque el gradiente térmico radial todavía afecta la distribución de la resistividad, la influencia del mecanismo de crecimiento en espiral sobre las facetas del cristal se hace evidente. La resistividad es notablemente menor en las regiones facetarias en comparación con las regiones no facetarias. El análisis de espectroscopía Raman de la oblea 23 mostró que la concentración de portador es significativamente mayor en las regiones facetarias, lo que indica que el mecanismo de crecimiento en espiral promueve un mayor dopaje con nitrógeno, lo que resulta en una menor resistividad en estas regiones.

¿Cuáles son las características de la última etapa del crecimiento cristalino?

En las últimas etapas del crecimiento del cristal, el mecanismo de crecimiento en espiral en las facetas se vuelve dominante, reduciendo aún más la resistividad en las regiones de las facetas y aumentando la diferencia de resistividad con el centro del cristal. El análisis de la distribución de resistividad de la oblea 44 reveló que la resistividad en las regiones de las facetas es significativamente menor, lo que corresponde a un mayor dopaje con nitrógeno en estas áreas. Los resultados indicaron que al aumentar el espesor del cristal, la influencia del mecanismo de crecimiento en espiral sobre la concentración de portadores supera la del gradiente térmico radial. La concentración de dopaje con nitrógeno es relativamente uniforme en las regiones no facetarias, pero significativamente mayor en las regiones facetarias, lo que indica que el mecanismo de dopaje en las regiones facetarias gobierna la concentración de portadores y la distribución de resistividad en la etapa tardía de crecimiento.

¿Cómo se relacionan el gradiente de temperatura y el dopaje con nitrógeno?

Los resultados del experimento también mostraron una clara correlación positiva entre la concentración de dopaje con nitrógeno y el gradiente de temperatura. En la etapa inicial, la concentración de dopaje con nitrógeno es mayor en el centro y menor en las regiones facetarias. A medida que el cristal crece, la concentración de dopaje con nitrógeno en las regiones de las facetas aumenta gradualmente, superando eventualmente la del centro, lo que lleva a diferencias de resistividad. Este fenómeno se puede optimizar controlando la fracción volumétrica del gas nitrógeno. El análisis de simulación numérica reveló que la reducción del gradiente térmico radial conduce a una concentración de dopaje de nitrógeno más uniforme, especialmente evidente en las últimas etapas de crecimiento. El experimento identificó un gradiente de temperatura crítico (ΔT) por debajo del cual la distribución de resistividad tiende a volverse uniforme.

¿Cuál es el mecanismo del dopaje con nitrógeno?

La concentración de dopaje con nitrógeno está influenciada no sólo por la temperatura y el gradiente térmico radial, sino también por la relación C/Si, la fracción volumétrica del gas nitrógeno y la tasa de crecimiento. En las regiones sin facetas, el dopaje con nitrógeno se controla principalmente mediante la temperatura y la relación C/Si, mientras que en las regiones facetarias, la fracción volumétrica del gas nitrógeno juega un papel más crucial. El estudio demostró que al ajustar la fracción volumétrica del gas nitrógeno en las regiones de las facetas, la resistividad se puede reducir de manera efectiva, logrando una mayor concentración de portador.

La Figura 1 (a) muestra las posiciones de las obleas seleccionadas, que representan diferentes etapas de crecimiento del cristal. La oblea número 1 representa la etapa inicial, la número 23 la etapa intermedia y la número 44 la etapa tardía. Al analizar estas obleas, los investigadores pueden comparar los cambios en la distribución de resistividad en diferentes etapas de crecimiento.

Las Figuras 1(b), 1© y 1(d), respectivamente, muestran los mapas de distribución de resistividad de las obleas No.1, No.23 y No.44, donde la intensidad del color indica niveles de resistividad, con regiones más oscuras que representan posiciones de faceta con menor resistividad.

Oblea No.1: Las facetas de crecimiento son pequeñas y están ubicadas en el borde de la oblea, con una alta resistividad general que aumenta desde el centro hacia el borde.

Oblea No.23: Las facetas se han expandido y están más cerca del centro de la oblea, con una resistividad significativamente menor en las regiones facetarias y una resistividad mayor en las regiones no facetarias.

Oblea No.44: Las facetas continúan expandiéndose y moviéndose hacia el centro de la oblea, con una resistividad en las regiones de las facetas notablemente menor que en otras áreas.

La Figura 2 (a) muestra la variación del ancho de las facetas de crecimiento a lo largo de la dirección del diámetro del cristal (dirección [1120]) a lo largo del tiempo. Las facetas se expanden desde regiones más estrechas en la etapa inicial de crecimiento hasta áreas más amplias en la etapa posterior.

Las Figuras 2(b), 2© y 2(d) muestran la distribución de resistividad a lo largo de la dirección del diámetro para las obleas No.1, No.23 y No.44, respectivamente.

Oblea No.1: La influencia de las facetas de crecimiento es mínima, y ​​la resistividad aumenta gradualmente desde el centro hasta el borde.

Oblea No.23: Las facetas reducen significativamente la resistividad, mientras que las regiones sin facetas mantienen niveles de resistividad más altos.

Oblea No.44: Las regiones facetadas tienen una resistividad significativamente menor que el resto de la oblea, y el efecto de las facetas sobre la resistividad se vuelve más pronunciado.

Las Figuras 3(a), 3(b) y 3© muestran respectivamente los cambios Raman del modo LOPC medidos en diferentes posiciones (A, B, C, D) en las obleas No.1, No.23 y No.44. , lo que refleja cambios en la concentración de portadores.

Oblea No.1: El cambio Raman disminuye gradualmente desde el centro (Punto A) hasta el borde (Punto C), lo que indica una reducción en la concentración de dopaje de nitrógeno del centro al borde. No se observa ningún cambio significativo en el desplazamiento Raman en el punto D (región de faceta).

Obleas No.23 y No.44: El cambio Raman es mayor en las regiones facetarias (Punto D), lo que indica una mayor concentración de dopaje con nitrógeno, lo que coincide con las mediciones de baja resistividad.

La Figura 4 (a) muestra la variación en la concentración de portador y el gradiente de temperatura radial en diferentes posiciones radiales de las obleas. Indica que la concentración de portadores disminuye desde el centro hacia el borde, mientras que el gradiente de temperatura es mayor en la etapa inicial de crecimiento y disminuye posteriormente.

La Figura 4 (b) ilustra el cambio en la diferencia en la concentración de portador entre el centro de la faceta y el centro de la oblea con el gradiente de temperatura (ΔT). En la etapa de crecimiento inicial (oblea número 1), la concentración de portadores es mayor en el centro de la oblea que en el centro de la faceta. A medida que el cristal crece, la concentración de dopaje con nitrógeno en las regiones facetarias supera gradualmente a la del centro, y Δn cambia de negativo a positivo, lo que indica el creciente dominio del mecanismo de crecimiento de las facetas.

La Figura 5 muestra el cambio en la resistividad en el centro de la oblea y el centro de la faceta a lo largo del tiempo. A medida que el cristal crece, la resistividad en el centro de la oblea aumenta de 15,5 mΩ·cm a 23,7 mΩ·cm, mientras que la resistividad en el centro de la faceta aumenta inicialmente a 22,1 mΩ·cm y luego disminuye a 19,5 mΩ·cm. La disminución de la resistividad en las regiones facetarias se correlaciona con cambios en la fracción volumétrica del gas nitrógeno, lo que indica una correlación negativa entre la concentración de dopaje de nitrógeno y la resistividad.

Conclusiones

Las conclusiones clave del estudio son que el gradiente térmico radial y el crecimiento de las facetas del cristal impactan significativamente la distribución de resistividad en los cristales de 4H-SiC:

En la etapa inicial del crecimiento del cristal, el gradiente térmico radial determina la distribución de la concentración de portadores, con menor resistividad en el centro del cristal y mayor en los bordes.

A medida que el cristal crece, la concentración de dopaje con nitrógeno aumenta en las regiones de las facetas, lo que reduce la resistividad, haciéndose más evidente la diferencia de resistividad entre las regiones de las facetas y el centro del cristal.

Se identificó un gradiente de temperatura crítico, que marca la transición del control de la distribución de resistividad del gradiente térmico radial al mecanismo de crecimiento de facetas.**

Fuente original: Xie, X., Kong, Y., Xu, L., Yang, D. y Pi, X. (2024). Distribución de la resistividad eléctrica de un cristal de 4H-SiC tipo n. Revista de crecimiento cristalino. https://doi.org/10.1016/j.jcrysgro.2024.127892