L'étude sur la distribution de la résistivité électrique dans les cristaux 4H-SiC de type n

Le 4H-SiC, en tant que matériau semi-conducteur de troisième génération, est réputé pour sa large bande interdite, sa conductivité thermique élevée et son excellente stabilité chimique et thermique, ce qui le rend très précieux dans les applications haute puissance et haute fréquence. Cependant, le facteur clé affectant les performances de ces dispositifs réside dans la répartition de la résistivité électrique au sein du cristal 4H-SiC, en particulier dans les cristaux de grande taille où une résistivité uniforme constitue un problème urgent lors de la croissance cristalline. Le dopage à l'azote est utilisé pour ajuster la résistivité du 4H-SiC de type n, mais en raison du gradient thermique radial complexe et des modèles de croissance cristalline, la distribution de résistivité devient souvent inégale.

Comment l’expérience s’est-elle déroulée ?

L'expérience a utilisé la méthode de transport physique de vapeur (PVT) pour faire croître des cristaux de 4H-SiC de type n d'un diamètre de 150 mm. En ajustant le rapport de mélange des gaz azote et argon, la concentration de dopage à l'azote a été contrôlée. Les étapes expérimentales spécifiques comprenaient :

Maintenir la température de croissance des cristaux entre 2100°C et 2300°C et la pression de croissance à 2 mbar.

Ajuster la fraction volumétrique d'azote gazeux d'un niveau initial de 9 % à 6 %, puis remonter à 9 % au cours de l'expérience.

Découper le cristal développé en tranches d’environ 0,45 mm d’épaisseur pour la mesure de résistivité et l’analyse par spectroscopie Raman.

Utilisation du logiciel COMSOL pour simuler le champ thermique lors de la croissance cristalline afin de mieux comprendre la distribution de résistivité.

Qu’a impliqué la recherche ?

Cette étude impliquait la croissance de cristaux de 4H-SiC de type n d'un diamètre de 150 mm à l'aide de la méthode PVT ainsi que la mesure et l'analyse de la distribution de résistivité à différents stades de croissance. Les résultats ont montré que la résistivité du cristal est influencée par le gradient thermique radial et le mécanisme de croissance du cristal, présentant différentes caractéristiques à différents stades de croissance.

Que se passe-t-il au début de la croissance cristalline ?

Dans la phase initiale de croissance cristalline, le gradient thermique radial affecte de manière plus significative la distribution de résistivité. La résistivité est plus faible dans la région centrale du cristal et augmente progressivement vers les bords, en raison d'un gradient thermique plus important provoquant une diminution de la concentration de dopage en azote du centre vers la périphérie. Le dopage à l’azote de cette étape est principalement influencé par le gradient de température, la distribution des concentrations de porteurs présentant des caractéristiques claires en fonction des variations de température. Les mesures de spectroscopie Raman ont confirmé que la concentration de porteurs est plus élevée au centre et plus faible sur les bords, correspondant aux résultats de distribution de résistivité.

Quels changements se produisent à mi-étape de la croissance cristalline ?

À mesure que la croissance cristalline progresse, les facettes de croissance se dilatent et le gradient thermique radial diminue. Au cours de cette étape, bien que le gradient thermique radial affecte toujours la distribution de résistivité, l'influence du mécanisme de croissance en spirale sur les facettes du cristal devient apparente. La résistivité est nettement plus faible dans les régions à facettes que dans les régions sans facettes. L'analyse par spectroscopie Raman de la tranche 23 a montré que la concentration de porteurs est significativement plus élevée dans les régions à facettes, ce qui indique que le mécanisme de croissance en spirale favorise un dopage accru à l'azote, ce qui entraîne une résistivité plus faible dans ces régions.

Quelles sont les caractéristiques du stade avancé de la croissance cristalline ?

Dans les derniers stades de la croissance cristalline, le mécanisme de croissance en spirale sur les facettes devient dominant, réduisant encore la résistivité dans les régions des facettes et augmentant la différence de résistivité avec le centre du cristal. L'analyse de la distribution de résistivité de la tranche 44 a révélé que la résistivité dans les régions à facettes est significativement plus faible, correspondant à un dopage à l'azote plus élevé dans ces zones. Les résultats ont indiqué qu'avec l'augmentation de l'épaisseur des cristaux, l'influence du mécanisme de croissance en spirale sur la concentration en porteurs dépasse celle du gradient thermique radial. La concentration de dopage à l'azote est relativement uniforme dans les régions sans facettes mais significativement plus élevée dans les régions à facettes, ce qui indique que le mécanisme de dopage dans les régions à facettes régit la concentration de porteurs et la distribution de résistivité à la fin de la phase de croissance.

Quel est le lien entre le gradient de température et le dopage à l’azote ?

Les résultats de l’expérience ont également montré une nette corrélation positive entre la concentration de dopage à l’azote et le gradient de température. Au stade précoce, la concentration de dopage à l’azote est plus élevée au centre et plus faible dans les régions des facettes. À mesure que le cristal grandit, la concentration de dopage en azote dans les régions des facettes augmente progressivement, dépassant finalement celle du centre, entraînant des différences de résistivité. Ce phénomène peut être optimisé en contrôlant la fraction volumétrique de l'azote gazeux. L'analyse de simulation numérique a révélé que la réduction du gradient thermique radial conduit à une concentration de dopage en azote plus uniforme, particulièrement évidente dans les derniers stades de croissance. L'expérience a identifié un gradient de température critique (ΔT) en dessous duquel la distribution de résistivité tend à devenir uniforme.

Quel est le mécanisme du dopage à l’azote ?

La concentration de dopage à l'azote est influencée non seulement par la température et le gradient thermique radial, mais également par le rapport C/Si, la fraction volumétrique de l'azote gazeux et le taux de croissance. Dans les régions sans facettes, le dopage à l’azote est principalement contrôlé par la température et le rapport C/Si, tandis que dans les régions à facettes, la fraction volumétrique de l’azote gazeux joue un rôle plus crucial. L'étude a montré qu'en ajustant la fraction volumétrique d'azote gazeux dans les régions à facettes, la résistivité peut être efficacement réduite, permettant d'obtenir une concentration de porteurs plus élevée.

La figure 1 (a) représente les positions des tranches sélectionnées, représentant différents stades de croissance du cristal. La plaquette n°1 représente le stade initial, la plaquette n°23 le stade intermédiaire et la plaquette n°44 le stade avancé. En analysant ces tranches, les chercheurs peuvent comparer les changements de distribution de résistivité à différents stades de croissance.

Les figures 1(b), 1© et 1(d) montrent respectivement les cartes de distribution de résistivité des tranches n°1, n°23 et n°44, où l'intensité de la couleur indique les niveaux de résistivité, les régions plus sombres représentant les positions des facettes avec des niveaux de résistivité plus faibles. résistivité.

Plaquette n°1 : Les facettes de croissance sont petites et situées au bord de la plaquette, avec une résistivité globale élevée qui augmente du centre vers le bord.

Plaquette n°23 : les facettes se sont élargies et sont plus proches du centre de la plaquette, avec une résistivité significativement plus faible dans les régions à facettes et une résistivité plus élevée dans les régions sans facettes.

Plaquette n°44 : les facettes continuent de s'étendre et de se déplacer vers le centre de la plaquette, avec une résistivité dans les régions des facettes nettement inférieure à celle des autres zones.

La figure 2 (a) montre la variation de largeur des facettes de croissance dans la direction du diamètre du cristal (direction [1120]) au fil du temps. Les facettes s’étendent depuis des régions plus étroites au début de la croissance jusqu’à des zones plus larges au stade ultérieur.

Les figures 2 (b), 2 © et 2 (d) affichent la distribution de résistivité dans la direction du diamètre pour les tranches n ° 1, n ° 23 et n ° 44, respectivement.

Plaquette n°1 : L'influence des facettes de croissance est minime, la résistivité augmentant progressivement du centre vers le bord.

Plaquette n°23 : Les facettes réduisent considérablement la résistivité, tandis que les régions sans facettes maintiennent des niveaux de résistivité plus élevés.

Plaquette n°44 : Les régions à facettes ont une résistivité nettement inférieure à celle du reste de la plaquette, l'effet des facettes sur la résistivité devenant plus prononcé.

Les figures 3(a), 3(b) et 3© montrent respectivement les décalages Raman du mode LOPC mesurés à différentes positions (A, B, C, D) sur les tranches n°1, n°23 et n°44. , reflétant les changements dans la concentration des porteurs.

Plaquette n°1 : Le décalage Raman diminue progressivement du centre (Point A) vers le bord (Point C), indiquant une réduction de la concentration de dopage à l'azote du centre vers le bord. Aucun changement de décalage Raman significatif n’est observé au point D (région des facettes).

Plaquettes n°23 et n°44 : le décalage Raman est plus élevé dans les régions des facettes (point D), indiquant une concentration de dopage à l'azote plus élevée, ce qui est cohérent avec les mesures de faible résistivité.

La figure 4 (a) montre la variation de la concentration en porteurs et du gradient de température radial à différentes positions radiales des tranches. Cela indique que la concentration de porteurs diminue du centre vers le bord, tandis que le gradient de température est plus important au début de la croissance et diminue par la suite.

La figure 4 (b) illustre l'évolution de la différence de concentration de porteurs entre le centre de la facette et le centre de la tranche avec le gradient de température (ΔT). Au début de la phase de croissance (plaquette n°1), la concentration de porteurs est plus élevée au centre de la plaquette qu'au centre de la facette. À mesure que le cristal se développe, la concentration de dopage en azote dans les régions des facettes dépasse progressivement celle du centre, An passant de négatif à positif, indiquant la domination croissante du mécanisme de croissance des facettes.

La figure 5 montre l'évolution de la résistivité au centre de la plaquette et au centre de la facette au fil du temps. À mesure que le cristal grandit, la résistivité au centre de la tranche augmente de 15,5 mΩ.cm à 23,7 mΩ.cm, tandis que la résistivité au centre de la facette augmente initialement jusqu'à 22,1 mΩ.cm puis diminue jusqu'à 19,5 mΩ.cm. La baisse de la résistivité dans les régions à facettes est en corrélation avec les modifications de la fraction volumétrique de l'azote gazeux, indiquant une corrélation négative entre la concentration de dopage à l'azote et la résistivité.

Conclusions

Les principales conclusions de l’étude sont que le gradient thermique radial et la croissance des facettes cristallines ont un impact significatif sur la distribution de résistivité dans les cristaux de 4H-SiC :

Au début de la croissance cristalline, le gradient thermique radial détermine la distribution de la concentration des porteurs, avec une résistivité plus faible au centre du cristal et plus élevée sur les bords.

À mesure que le cristal grandit, la concentration de dopage à l'azote augmente dans les régions à facettes, réduisant ainsi la résistivité, la différence de résistivité entre les régions à facettes et le centre du cristal devenant plus apparente.

Un gradient de température critique a été identifié, marquant la transition du contrôle de la distribution de résistivité du gradient thermique radial au mécanisme de croissance des facettes.**

Source originale : Xie, X., Kong, Y., Xu, L., Yang, D. et Pi, X. (2024). Distribution de la résistivité électrique d'un cristal 4H-SiC de type n. Journal de croissance cristalline. https://doi.org/10.1016/j.jcrysgro.2024.127892