O Estudo sobre a Distribuição da Resistividade Elétrica em Cristais 4H-SiC Tipo n

O 4H-SiC, como material semicondutor de terceira geração, é conhecido por seu amplo bandgap, alta condutividade térmica e excelente estabilidade química e térmica, tornando-o altamente valioso em aplicações de alta potência e alta frequência. No entanto, o fator chave que afeta o desempenho destes dispositivos reside na distribuição da resistividade elétrica dentro do cristal 4H-SiC, especialmente em cristais de grande porte, onde a resistividade uniforme é uma questão premente durante o crescimento do cristal. A dopagem com nitrogênio é usada para ajustar a resistividade do 4H-SiC tipo n, mas devido ao complexo gradiente térmico radial e aos padrões de crescimento do cristal, a distribuição de resistividade muitas vezes se torna desigual.

Como o experimento foi conduzido?

O experimento utilizou o método Physical Vapor Transport (PVT) para cultivar cristais 4H-SiC tipo n com diâmetro de 150 mm. Ajustando a proporção da mistura de gases nitrogênio e argônio, a concentração de dopagem com nitrogênio foi controlada. As etapas experimentais específicas incluíram:

Manter a temperatura de crescimento do cristal entre 2100°C e 2300°C e a pressão de crescimento em 2 mbar.

Ajustando a fração volumétrica do gás nitrogênio de 9% inicial para 6% e depois de volta para 9% durante o experimento.

Cortar o cristal crescido em wafers de aproximadamente 0,45 mm de espessura para medição de resistividade e análise de espectroscopia Raman.

Uso do software COMSOL para simular o campo térmico durante o crescimento do cristal para entender melhor a distribuição de resistividade.

O que a pesquisa envolveu?

Este estudo envolveu o cultivo de cristais 4H-SiC tipo n com diâmetro de 150 mm usando o método PVT e medindo e analisando a distribuição de resistividade em diferentes estágios de crescimento. Os resultados mostraram que a resistividade do cristal é influenciada pelo gradiente térmico radial e pelo mecanismo de crescimento do cristal, exibindo características diferentes em diferentes estágios de crescimento.

O que acontece durante o estágio inicial do crescimento do cristal?

Na fase inicial do crescimento do cristal, o gradiente térmico radial afeta mais significativamente a distribuição de resistividade. A resistividade é menor na região central do cristal e aumenta gradativamente em direção às bordas, devido a um gradiente térmico maior causando uma diminuição na concentração de dopagem de nitrogênio do centro para a periferia. A dopagem com nitrogênio nesta etapa é influenciada principalmente pelo gradiente de temperatura, com a distribuição da concentração de portadores apresentando características claras dependendo das variações de temperatura. Medições de espectroscopia Raman confirmaram que a concentração de portadores é maior no centro e menor nas bordas, correspondendo aos resultados da distribuição de resistividade.

Que mudanças ocorrem no estágio intermediário do crescimento do cristal?

À medida que o crescimento do cristal progride, as facetas de crescimento se expandem e o gradiente térmico radial diminui. Durante esta fase, embora o gradiente térmico radial ainda afete a distribuição de resistividade, a influência do mecanismo de crescimento espiral nas facetas do cristal torna-se aparente. A resistividade é notavelmente menor nas regiões facetadas em comparação com as regiões não facetadas. A análise de espectroscopia Raman do wafer 23 mostrou que a concentração de transportadores é significativamente maior nas regiões facetárias, indicando que o mecanismo de crescimento espiral promove aumento da dopagem com nitrogênio, resultando em menor resistividade nessas regiões.

Quais são as características do estágio final do crescimento do cristal?

Nos estágios posteriores do crescimento do cristal, o mecanismo de crescimento espiral nas facetas torna-se dominante, reduzindo ainda mais a resistividade nas regiões das facetas e aumentando a diferença de resistividade com o centro do cristal. A análise da distribuição de resistividade do wafer 44 revelou que a resistividade nas regiões facetadas é significativamente menor, correspondendo a maior dopagem com nitrogênio nessas áreas. Os resultados indicaram que com o aumento da espessura do cristal, a influência do mecanismo de crescimento espiral na concentração de portadores ultrapassa a do gradiente térmico radial. A concentração de dopagem com nitrogênio é relativamente uniforme nas regiões não facetadas, mas significativamente maior nas regiões facetadas, indicando que o mecanismo de dopagem nas regiões facetadas governa a concentração de portadores e a distribuição de resistividade no estágio tardio de crescimento.

Como o gradiente de temperatura e a dopagem com nitrogênio estão relacionados?

Os resultados do experimento também mostraram uma clara correlação positiva entre a concentração de dopagem com nitrogênio e o gradiente de temperatura. No estágio inicial, a concentração de dopagem com nitrogênio é maior no centro e menor nas regiões facetadas. À medida que o cristal cresce, a concentração de dopagem de nitrogênio nas regiões facetadas aumenta gradualmente, eventualmente ultrapassando a do centro, levando a diferenças de resistividade. Este fenômeno pode ser otimizado controlando a fração volumétrica do gás nitrogênio. A análise de simulação numérica revelou que a redução do gradiente térmico radial leva a uma concentração de dopagem de nitrogênio mais uniforme, especialmente evidente nos estágios posteriores de crescimento. O experimento identificou um gradiente crítico de temperatura (ΔT) abaixo do qual a distribuição de resistividade tende a se tornar uniforme.

Qual é o mecanismo de dopagem com nitrogênio?

A concentração de dopagem com nitrogênio é influenciada não apenas pela temperatura e pelo gradiente térmico radial, mas também pela relação C/Si, fração volumétrica do gás nitrogênio e taxa de crescimento. Em regiões não facetadas, a dopagem com nitrogênio é controlada principalmente pela temperatura e pela relação C/Si, enquanto em regiões facetadas, a fração volumétrica do gás nitrogênio desempenha um papel mais crucial. O estudo mostrou que ajustando a fração volumétrica do gás nitrogênio nas regiões facetárias, a resistividade pode ser efetivamente reduzida, alcançando maior concentração de transportadores.

A Figura 1 (a) representa as posições das bolachas selecionadas, representando diferentes estágios de crescimento do cristal. O Wafer No.1 representa o estágio inicial, o No.23 o estágio intermediário e o No.44 o estágio final. Ao analisar essas bolachas, os pesquisadores podem comparar as mudanças na distribuição de resistividade em diferentes estágios de crescimento.

As Figuras 1 (b), 1 © e 1 (d) mostram respectivamente os mapas de distribuição de resistividade dos wafers nº 1, nº 23 e nº 44, onde a intensidade da cor indica os níveis de resistividade, com regiões mais escuras representando posições de facetas com menor resistividade.

Wafer No.1: As facetas de crescimento são pequenas e localizadas na borda do wafer, com alta resistividade geral que aumenta do centro para a borda.

Wafer No.23: As facetas se expandiram e estão mais próximas do centro do wafer, com resistividade significativamente menor nas regiões facetadas e maior resistividade nas regiões não facetadas.

Wafer No.44: As facetas continuam a se expandir e a se mover em direção ao centro do wafer, com resistividade nas regiões das facetas marcadamente mais baixas do que em outras áreas.

A Figura 2 (a) mostra a variação da largura das facetas de crescimento ao longo da direção do diâmetro do cristal (direção [1120]) ao longo do tempo. As facetas expandem-se de regiões mais estreitas na fase inicial de crescimento para áreas mais amplas na fase posterior.

As Figuras 2 (b), 2 © e 2 (d) mostram a distribuição de resistividade ao longo da direção do diâmetro para os wafers No.1, No.23 e No.44, respectivamente.

Wafer No.1: A influência das facetas de crescimento é mínima, com a resistividade aumentando gradualmente do centro para a borda.

Wafer No.23: As facetas reduzem significativamente a resistividade, enquanto as regiões não facetadas mantêm níveis de resistividade mais elevados.

Wafer No.44: As regiões facetadas têm resistividade significativamente menor do que o resto do wafer, com o efeito facetado na resistividade se tornando mais pronunciado.

As Figuras 3 (a), 3 (b) e 3 © mostram respectivamente os deslocamentos Raman do modo LOPC medidos em diferentes posições (A, B, C, D) nos wafers No.1, No.23 e No.44 , refletindo mudanças na concentração de transportadores.

Wafer No.1: O deslocamento Raman diminui gradualmente do centro (Ponto A) para a borda (Ponto C), indicando uma redução na concentração de dopagem com nitrogênio do centro para a borda. Nenhuma mudança significativa no deslocamento Raman é observada no Ponto D (região facetária).

Wafers No.23 e No.44: O deslocamento Raman é maior nas regiões facetadas (Ponto D), indicando maior concentração de dopagem de nitrogênio, consistente com as medições de baixa resistividade.

A Figura 4 (a) mostra a variação na concentração de portadores e no gradiente de temperatura radial em diferentes posições radiais dos wafers. Indica que a concentração de transportadores diminui do centro para a borda, enquanto o gradiente de temperatura é maior no estágio inicial de crescimento e diminui posteriormente.

A Figura 4 (b) ilustra a mudança na diferença na concentração de portadores entre o centro da faceta e o centro do wafer com o gradiente de temperatura (ΔT). No estágio inicial de crescimento (Wafer No.1), a concentração de portadores é maior no centro do wafer do que no centro da faceta. À medida que o cristal cresce, a concentração de dopagem de nitrogênio nas regiões facetárias ultrapassa gradualmente a do centro, com Δn mudando de negativo para positivo, indicando a crescente dominância do mecanismo de crescimento facetário.

A Figura 5 mostra a mudança na resistividade no centro do wafer e no centro da faceta ao longo do tempo. À medida que o cristal cresce, a resistividade no centro da bolacha aumenta de 15,5 mΩ·cm para 23,7 mΩ·cm, enquanto a resistividade no centro da faceta aumenta inicialmente para 22,1 mΩ·cm e depois diminui para 19,5 mΩ·cm. O declínio na resistividade nas regiões facetadas correlaciona-se com mudanças na fração volumétrica do gás nitrogênio, indicando uma correlação negativa entre a concentração de dopagem com nitrogênio e a resistividade.

Conclusões

As principais conclusões do estudo são que o gradiente térmico radial e o crescimento das facetas do cristal impactam significativamente a distribuição de resistividade em cristais 4H-SiC:

No estágio inicial do crescimento do cristal, o gradiente térmico radial determina a distribuição da concentração de portadores, com menor resistividade no centro do cristal e maior nas bordas.

À medida que o cristal cresce, a concentração de dopagem de nitrogênio aumenta nas regiões facetadas, diminuindo a resistividade, com a diferença de resistividade entre as regiões facetadas e o centro do cristal tornando-se mais aparente.

Um gradiente crítico de temperatura foi identificado, marcando a transição do controle da distribuição de resistividade do gradiente térmico radial para o mecanismo de crescimento de facetas.**

Fonte original: Xie, X., Kong, Y., Xu, L., Yang, D., & Pi, X. (2024). Distribuição da resistividade elétrica de um cristal 4H-SiC tipo n. Jornal de Crescimento de Cristal. https://doi.org/10.1016/j.jcrysgro.2024.127892