n-வகை 4H-SiC படிகங்களில் மின் எதிர்ப்பின் விநியோகம் பற்றிய ஆய்வு

4H-SiC, ஒரு மூன்றாம் தலைமுறை குறைக்கடத்தி பொருளாக, அதன் பரந்த பேண்ட்கேப், அதிக வெப்ப கடத்துத்திறன் மற்றும் சிறந்த இரசாயன மற்றும் வெப்ப நிலைத்தன்மை ஆகியவற்றிற்கு புகழ்பெற்றது, இது அதிக சக்தி மற்றும் உயர் அதிர்வெண் பயன்பாடுகளில் மிகவும் மதிப்புமிக்கதாக ஆக்குகிறது. எவ்வாறாயினும், இந்த சாதனங்களின் செயல்திறனை பாதிக்கும் முக்கிய காரணியானது 4H-SiC படிகத்திற்குள் மின் எதிர்ப்பின் விநியோகத்தில் உள்ளது, குறிப்பாக பெரிய அளவிலான படிகங்களில், படிக வளர்ச்சியின் போது சீரான எதிர்ப்பானது ஒரு அழுத்தமான பிரச்சினையாகும். நைட்ரஜன் ஊக்கமருந்து n-வகை 4H-SiC இன் எதிர்ப்பை சரிசெய்ய பயன்படுகிறது, ஆனால் சிக்கலான ரேடியல் வெப்ப சாய்வு மற்றும் படிக வளர்ச்சி முறைகள் காரணமாக, மின்தடை விநியோகம் பெரும்பாலும் சீரற்றதாகிறது.

சோதனை எவ்வாறு நடத்தப்பட்டது?

சோதனையானது 150 மிமீ விட்டம் கொண்ட n-வகை 4H-SiC படிகங்களை வளர்க்க இயற்பியல் நீராவி போக்குவரத்து (PVT) முறையைப் பயன்படுத்தியது. நைட்ரஜன் மற்றும் ஆர்கான் வாயுக்களின் கலவை விகிதத்தை சரிசெய்வதன் மூலம், நைட்ரஜன் ஊக்கமருந்துகளின் செறிவு கட்டுப்படுத்தப்பட்டது. குறிப்பிட்ட சோதனை நடவடிக்கைகளில் பின்வருவன அடங்கும்:

படிக வளர்ச்சி வெப்பநிலையை 2100°C மற்றும் 2300°C மற்றும் வளர்ச்சி அழுத்தத்தை 2 mbar இல் பராமரித்தல்.

சோதனையின் போது நைட்ரஜன் வாயுவின் வால்யூமெட்ரிக் பகுதியை ஆரம்ப 9% இலிருந்து 6% ஆகவும் பின்னர் 9% ஆகவும் சரிசெய்தல்.

வளர்ந்த படிகத்தை ஏறத்தாழ 0.45 மிமீ தடிமன் கொண்ட செதில்களாக வெட்டுதல், மின்தடை அளவீடு மற்றும் ராமன் ஸ்பெக்ட்ரோஸ்கோபி பகுப்பாய்வு.

COMSOL மென்பொருளைப் பயன்படுத்தி, படிக வளர்ச்சியின் போது வெப்பப் புலத்தை உருவகப்படுத்தி, எதிர்ப்பின் பரவலை நன்கு புரிந்து கொள்ள வேண்டும்.

ஆராய்ச்சி என்ன உள்ளடக்கியது?

இந்த ஆய்வில் PVT முறையைப் பயன்படுத்தி 150 மிமீ விட்டம் கொண்ட n-வகை 4H-SiC படிகங்களை வளர்ப்பது மற்றும் வெவ்வேறு வளர்ச்சி நிலைகளில் மின்தடை விநியோகத்தை அளவிடுவது மற்றும் பகுப்பாய்வு செய்வது ஆகியவை அடங்கும். படிகத்தின் எதிர்ப்பானது ரேடியல் வெப்ப சாய்வு மற்றும் படிக வளர்ச்சி பொறிமுறையால் பாதிக்கப்படுகிறது, வெவ்வேறு வளர்ச்சி நிலைகளில் வெவ்வேறு பண்புகளை வெளிப்படுத்துகிறது என்று முடிவுகள் காட்டுகின்றன.

படிக வளர்ச்சியின் ஆரம்ப கட்டத்தில் என்ன நடக்கிறது?

படிக வளர்ச்சியின் ஆரம்ப கட்டத்தில், ரேடியல் வெப்ப சாய்வு மிகவும் குறிப்பிடத்தக்க வகையில் எதிர்ப்புத் தன்மை விநியோகத்தை பாதிக்கிறது. படிகத்தின் மையப் பகுதியில் எதிர்ப்பாற்றல் குறைவாக உள்ளது மற்றும் விளிம்புகளை நோக்கி படிப்படியாக அதிகரிக்கிறது, ஒரு பெரிய வெப்ப சாய்வு காரணமாக மையத்தில் இருந்து வெளிப்புறங்களுக்கு நைட்ரஜன் ஊக்கமருந்து செறிவு குறைகிறது. இந்த நிலை நைட்ரஜன் ஊக்கமருந்து முதன்மையாக வெப்பநிலை சாய்வால் பாதிக்கப்படுகிறது, கேரியர் செறிவு விநியோகம் வெப்பநிலை மாறுபாடுகளைப் பொறுத்து தெளிவான பண்புகளைக் காட்டுகிறது. ராமன் ஸ்பெக்ட்ரோஸ்கோபி அளவீடுகள், கேரியர் செறிவு மையத்தில் அதிகமாகவும் விளிம்புகளில் குறைவாகவும் இருப்பதை உறுதிசெய்தது, இது மின்தடை விநியோக முடிவுகளுடன் தொடர்புடையது.

படிக வளர்ச்சியின் நடுநிலையில் என்ன மாற்றங்கள் நிகழ்கின்றன?

படிக வளர்ச்சி முன்னேறும்போது, ​​வளர்ச்சி அம்சங்கள் விரிவடைகின்றன, மேலும் ரேடியல் வெப்ப சாய்வு குறைகிறது. இந்த கட்டத்தில், ரேடியல் வெப்ப சாய்வு இன்னும் மின்தடை விநியோகத்தை பாதிக்கிறது என்றாலும், படிக அம்சங்களில் சுழல் வளர்ச்சி பொறிமுறையின் செல்வாக்கு தெளிவாகிறது. முகம் அல்லாத பகுதிகளுடன் ஒப்பிடும்போது முகப் பகுதிகளில் எதிர்ப்புத் திறன் குறைவாக உள்ளது. வேஃபர் 23 இன் ராமன் ஸ்பெக்ட்ரோஸ்கோபி பகுப்பாய்வு, முகப்புப் பகுதிகளில் கேரியர் செறிவு கணிசமாக அதிகமாக இருப்பதைக் காட்டியது, சுழல் வளர்ச்சி பொறிமுறையானது நைட்ரஜன் ஊக்கமருந்து அதிகரிப்பதை ஊக்குவிக்கிறது, இதன் விளைவாக இந்த பகுதிகளில் குறைந்த எதிர்ப்புத் திறன் உள்ளது.

படிக வளர்ச்சியின் கடைசி கட்டத்தின் சிறப்பியல்புகள் என்ன?

படிக வளர்ச்சியின் பிந்தைய கட்டங்களில், முகப்புகளில் சுழல் வளர்ச்சி பொறிமுறையானது ஆதிக்கம் செலுத்துகிறது, மேலும் முகப் பகுதிகளில் எதிர்ப்பைக் குறைக்கிறது மற்றும் படிக மையத்துடன் எதிர்ப்பு வேறுபாடு அதிகரிக்கிறது. வேஃபர் 44 இன் ரெசிஸ்டிவிட்டி விநியோகத்தின் பகுப்பாய்வில், இந்த பகுதிகளில் அதிக நைட்ரஜன் ஊக்கமருந்துக்கு ஒத்ததாக, முகப் பகுதிகளில் எதிர்ப்பாற்றல் கணிசமாகக் குறைவாக இருப்பதை வெளிப்படுத்தியது. படிக தடிமன் அதிகரிப்பதால், கேரியர் செறிவில் சுழல் வளர்ச்சி பொறிமுறையின் செல்வாக்கு ரேடியல் வெப்ப சாய்வை விட அதிகமாக இருப்பதாக முடிவுகள் சுட்டிக்காட்டின. நைட்ரஜன் ஊக்கமருந்து செறிவு முகம் அல்லாத பகுதிகளில் ஒப்பீட்டளவில் ஒரே மாதிரியாக உள்ளது, ஆனால் முகப் பகுதிகளில் உள்ள ஊக்கமருந்து பொறிமுறையானது கேரியர் செறிவு மற்றும் எதிர்ப்புத் திறன் விநியோகத்தை பிற்பகுதியில் வளர்ச்சி நிலையில் கட்டுப்படுத்துகிறது என்பதைக் குறிக்கிறது.

வெப்பநிலை சாய்வு மற்றும் நைட்ரஜன் ஊக்கமருந்து எவ்வாறு தொடர்புடையது?

சோதனை முடிவுகள் நைட்ரஜன் ஊக்கமருந்து செறிவு மற்றும் வெப்பநிலை சாய்வு ஆகியவற்றுக்கு இடையே தெளிவான நேர்மறையான தொடர்பைக் காட்டியது. ஆரம்ப கட்டத்தில், நைட்ரஜன் ஊக்கமருந்து செறிவு மையத்தில் அதிகமாகவும், முகப் பகுதிகளில் குறைவாகவும் இருக்கும். படிக வளர்ச்சியுடன், முகப் பகுதிகளில் நைட்ரஜன் ஊக்கமருந்து செறிவு படிப்படியாக அதிகரிக்கிறது, இறுதியில் மையத்தில் உள்ளதை விஞ்சி, எதிர்ப்பு வேறுபாடுகளுக்கு வழிவகுக்கிறது. நைட்ரஜன் வாயு அளவீட்டுப் பகுதியைக் கட்டுப்படுத்துவதன் மூலம் இந்த நிகழ்வை மேம்படுத்தலாம். ரேடியல் வெப்ப சாய்வு குறைப்பு மிகவும் சீரான நைட்ரஜன் ஊக்கமருந்து செறிவுக்கு வழிவகுக்கிறது என்று எண் உருவகப்படுத்துதல் பகுப்பாய்வு வெளிப்படுத்தியது, குறிப்பாக பிற்கால வளர்ச்சி நிலைகளில் தெளிவாகத் தெரிகிறது. சோதனையானது ஒரு முக்கியமான வெப்பநிலை சாய்வு (ΔT) ஐ அடையாளம் கண்டுள்ளது, அதற்குக் கீழே மின்தடை விநியோகம் சீராக மாறும்.

நைட்ரஜன் ஊக்கமருந்து இயந்திரம் என்ன?

நைட்ரஜன் ஊக்கமருந்து செறிவு வெப்பநிலை மற்றும் ரேடியல் வெப்ப சாய்வு மட்டுமல்ல, C/Si விகிதம், நைட்ரஜன் வாயு அளவு பின்னம் மற்றும் வளர்ச்சி விகிதம் ஆகியவற்றால் பாதிக்கப்படுகிறது. முகம் இல்லாத பகுதிகளில், நைட்ரஜன் ஊக்கமருந்து முக்கியமாக வெப்பநிலை மற்றும் C/Si விகிதத்தால் கட்டுப்படுத்தப்படுகிறது, அதே சமயம் முகப் பகுதிகளில், நைட்ரஜன் வாயு அளவீட்டு பின்னம் மிகவும் முக்கிய பங்கு வகிக்கிறது. முகப் பகுதிகளில் நைட்ரஜன் வாயு வால்யூமெட்ரிக் பகுதியை சரிசெய்வதன் மூலம், எதிர்ப்பை திறம்பட குறைக்கலாம், அதிக கேரியர் செறிவை அடையலாம் என்று ஆய்வு காட்டுகிறது.

படம் 1(a) தேர்ந்தெடுக்கப்பட்ட செதில்களின் நிலைகளை சித்தரிக்கிறது, இது படிகத்தின் வெவ்வேறு வளர்ச்சி நிலைகளைக் குறிக்கிறது. வேஃபர் எண்.1 ஆரம்ப கட்டத்தையும், எண்.23 நடுநிலையையும், எண்.44 கடைசி கட்டத்தையும் குறிக்கிறது. இந்த செதில்களை பகுப்பாய்வு செய்வதன் மூலம், ஆராய்ச்சியாளர்கள் வெவ்வேறு வளர்ச்சி நிலைகளில் மின்தடை விநியோக மாற்றங்களை ஒப்பிடலாம்.

புள்ளிவிவரங்கள் 1(b), 1©, மற்றும் 1(d) முறையே செதில்கள் எண்.1, எண்.23 மற்றும் எண்.44 ஆகியவற்றின் மின்தடை விநியோக வரைபடங்களைக் காட்டுகின்றன, இதில் வண்ணத் தீவிரம் எதிர்ப்பின் அளவைக் குறிக்கிறது, இருண்ட பகுதிகள் குறைந்த முக நிலைகளைக் குறிக்கும். எதிர்ப்புத்திறன்.

வேஃபர் எண்.1: வளர்ச்சி முகங்கள் சிறியவை மற்றும் செதில்களின் விளிம்பில் அமைந்துள்ளன, ஒட்டுமொத்த உயர் எதிர்ப்புத் திறன் மையத்திலிருந்து விளிம்பிற்கு அதிகரிக்கிறது.

வேஃபர் எண்.23: முகங்கள் விரிவடைந்து செதில் மையத்திற்கு நெருக்கமாக உள்ளன, முகப் பகுதிகளில் குறிப்பிடத்தக்க அளவு எதிர்ப்புத் திறன் மற்றும் முகம் அல்லாத பகுதிகளில் அதிக எதிர்ப்புத் திறன் உள்ளது.

வேஃபர் எண்.44: முகங்கள் விரிவடைந்து செதில் மையத்தை நோக்கி நகர்கின்றன, முகப் பகுதிகளில் எதிர்ப்புத் திறன் மற்ற பகுதிகளைக் காட்டிலும் குறிப்பிடத்தக்க அளவில் குறைவாக இருக்கும்.

படம் 2(a) காலப்போக்கில் படிக விட்டம் திசையில் ([1120] திசையில்) வளர்ச்சி அம்சங்களின் அகல மாறுபாட்டைக் காட்டுகிறது. முகங்கள் ஆரம்ப வளர்ச்சி நிலையில் குறுகலான பகுதிகளிலிருந்து பிந்தைய கட்டத்தில் பரந்த பகுதிகளுக்கு விரிவடைகின்றன.

Figures 2(b), 2©, and 2(d) display the resistivity distribution along the diameter direction for wafers No.1, No.23, and No.44, respectively.

வேஃபர் எண்.1: வளர்ச்சி அம்சங்களின் தாக்கம் குறைவாக உள்ளது, எதிர்ப்பாற்றல் படிப்படியாக மையத்திலிருந்து விளிம்பிற்கு அதிகரிக்கிறது.

வேஃபர் எண்.23: முகங்கள் எதிர்ப்பைக் கணிசமாகக் குறைக்கின்றன, அதே சமயம் முகம் அல்லாத பகுதிகள் அதிக எதிர்ப்புத் திறனைப் பராமரிக்கின்றன.

வேஃபர் எண்.44: முகப் பகுதிகள் செதில்களின் மற்ற பகுதிகளை விட கணிசமாக குறைந்த எதிர்ப்புத் திறனைக் கொண்டுள்ளன.

எண்.1, எண்.23 மற்றும் எண்.44 இல் வெவ்வேறு நிலைகளில் (A, B, C, D) அளவிடப்படும் LOPC பயன்முறையின் ராமன் மாற்றங்களை முறையே புள்ளிவிவரங்கள் 3(a), 3(b), மற்றும் 3© காட்டுகின்றன. , கேரியர் செறிவு மாற்றங்களை பிரதிபலிக்கிறது.

வேஃபர் எண்.1: ராமன் மாற்றம் படிப்படியாக மையத்திலிருந்து (புள்ளி A) விளிம்பிற்கு (புள்ளி C) குறைகிறது, இது நைட்ரஜன் ஊக்கமருந்து செறிவு மையத்திலிருந்து விளிம்பிற்கு குறைவதைக் குறிக்கிறது. புள்ளி D இல் (முகப் பகுதி) குறிப்பிடத்தக்க ராமன் ஷிப்ட் மாற்றம் காணப்படவில்லை.

வேஃபர்ஸ் எண்.23 மற்றும் எண்.44: ஃபேசெட் பகுதிகளில் (பாயின்ட் டி) ராமன் ஷிஃப்ட் அதிகமாக உள்ளது, இது குறைந்த எதிர்ப்புத்திறன் அளவீடுகளுடன் ஒத்துப்போகும் அதிக நைட்ரஜன் ஊக்கமருந்து செறிவைக் குறிக்கிறது.

படம் 4(a) செதில்களின் வெவ்வேறு ரேடியல் நிலைகளில் கேரியர் செறிவு மற்றும் ரேடியல் வெப்பநிலை சாய்வு ஆகியவற்றில் உள்ள மாறுபாட்டைக் காட்டுகிறது. கேரியர் செறிவு மையத்திலிருந்து விளிம்பிற்கு குறைகிறது, அதே நேரத்தில் வெப்பநிலை சாய்வு ஆரம்ப வளர்ச்சி நிலையில் பெரியதாக உள்ளது மற்றும் பின்னர் குறைகிறது.

படம் 4(b) வெப்பநிலை சாய்வு (ΔT) உடன் முக மையம் மற்றும் செதில் மையத்திற்கு இடையே உள்ள கேரியர் செறிவில் உள்ள வேறுபாட்டின் மாற்றத்தை விளக்குகிறது. ஆரம்ப வளர்ச்சி நிலையில் (வேஃபர் எண்.1), கேரியர் செறிவு முக மையத்தை விட செதில் மையத்தில் அதிகமாக இருக்கும். படிக வளர்ச்சியுடன், முகப் பகுதிகளில் நைட்ரஜன் ஊக்கமருந்து செறிவு படிப்படியாக மையத்தில் உள்ளதை விட அதிகமாகிறது, Δn எதிர்மறையிலிருந்து நேர்மறையாக மாறுகிறது, இது முக வளர்ச்சி பொறிமுறையின் வளர்ந்து வரும் ஆதிக்கத்தைக் குறிக்கிறது.

படம் 5, காலப்போக்கில் செதில் மையம் மற்றும் முக மையத்தில் எதிர்ப்பின் மாற்றத்தைக் காட்டுகிறது. படிக வளர்ச்சியுடன், செதில் மையத்தில் உள்ள மின்தடை 15.5 mΩ·cm இலிருந்து 23.7 mΩ·cm ஆக அதிகரிக்கிறது, அதே சமயம் முக மையத்தில் எதிர்ப்புத் திறன் ஆரம்பத்தில் 22.1 mΩ·cm ஆக அதிகரித்து பின்னர் 19.5 mΩ·cm ஆக குறைகிறது. முகப் பகுதிகளில் எதிர்ப்பின் குறைவு நைட்ரஜன் வாயு அளவீட்டுப் பகுதியின் மாற்றங்களுடன் தொடர்புடையது, இது நைட்ரஜன் ஊக்கமருந்து செறிவு மற்றும் எதிர்ப்புத்தன்மை ஆகியவற்றுக்கு இடையே எதிர்மறையான தொடர்பைக் குறிக்கிறது.

முடிவுகள்

ஆய்வின் முக்கிய முடிவுகள் என்னவென்றால், ரேடியல் வெப்ப சாய்வு மற்றும் படிக முக வளர்ச்சி 4H-SiC படிகங்களில் மின்தடை விநியோகத்தை கணிசமாக பாதிக்கிறது:

படிக வளர்ச்சியின் ஆரம்ப கட்டத்தில், ரேடியல் வெப்ப சாய்வு கேரியர் செறிவு விநியோகத்தை தீர்மானிக்கிறது, படிக மையத்தில் குறைந்த எதிர்ப்பையும் விளிம்புகளில் அதிகமாகவும் இருக்கும்.

படிக வளர்ச்சியுடன், முகப் பகுதிகளில் நைட்ரஜன் ஊக்கமருந்து செறிவு அதிகரிக்கிறது, எதிர்ப்பைக் குறைக்கிறது, முகப் பகுதிகளுக்கும் படிக மையத்திற்கும் இடையிலான எதிர்ப்பு வேறுபாடு மிகவும் தெளிவாகிறது.

ஒரு முக்கியமான வெப்பநிலை சாய்வு அடையாளம் காணப்பட்டது, இது ரேடியல் வெப்ப சாய்விலிருந்து முக வளர்ச்சி பொறிமுறைக்கு மின்தடை விநியோகக் கட்டுப்பாட்டின் மாற்றத்தைக் குறிக்கிறது.**

அசல் ஆதாரம்: Xie, X., Kong, Y., Xu, L., Yang, D., & Pi, X. (2024). n-வகை 4H-SiC படிகத்தின் மின் எதிர்ப்பின் விநியோகம். கிரிஸ்டல் க்ரோத் ஜர்னல். https://doi.org/10.1016/j.jcrysgro.2024.127892