دراسة توزيع المقاومة الكهربائية في بلورات n-Type 4H-SiC

تشتهر مادة 4H-SiC، باعتبارها مادة شبه موصلة من الجيل الثالث، بفجوة نطاقها الواسعة، وموصليتها الحرارية العالية، وثباتها الكيميائي والحراري الممتاز، مما يجعلها ذات قيمة عالية في التطبيقات عالية الطاقة والتردد. ومع ذلك، فإن العامل الرئيسي الذي يؤثر على أداء هذه الأجهزة يكمن في توزيع المقاومة الكهربائية داخل بلورة 4H-SiC، خاصة في البلورات كبيرة الحجم حيث تكون المقاومة الموحدة مشكلة ملحة أثناء نمو البلورة. يتم استخدام المنشطات النيتروجينية لضبط مقاومة النوع n 4H-SiC، ولكن نظرًا للتدرج الحراري الشعاعي المعقد وأنماط النمو البلوري، غالبًا ما يصبح توزيع المقاومة غير متساوٍ.

كيف تم إجراء التجربة؟

استخدمت التجربة طريقة نقل البخار الفيزيائي (PVT) لزراعة بلورات من النوع n 4H-SiC بقطر 150 مم. ومن خلال ضبط نسبة خليط غازات النيتروجين والأرجون، تم التحكم في تركيز المنشطات النيتروجينية. وتضمنت الخطوات التجريبية المحددة ما يلي:

الحفاظ على درجة حرارة نمو البلورة بين 2100 درجة مئوية و 2300 درجة مئوية وضغط النمو عند 2 ملي بار.

ضبط الكسر الحجمي لغاز النيتروجين من 9% الأولي وصولا إلى 6% ومن ثم العودة إلى 9% أثناء التجربة.

قطع البلورة المزروعة إلى رقائق يبلغ سمكها حوالي 0.45 مم لقياس المقاومة وتحليل رامان الطيفي.

استخدام برنامج COMSOL لمحاكاة المجال الحراري أثناء نمو البلورات لفهم توزيع المقاومة بشكل أفضل.

ماذا تضمن البحث؟

تضمنت هذه الدراسة زراعة بلورات 4H-SiC من النوع n بقطر 150 مم باستخدام طريقة PVT وقياس وتحليل توزيع المقاومة في مراحل النمو المختلفة. أظهرت النتائج أن مقاومة البلورة تتأثر بالتدرج الحراري الشعاعي وآلية نمو البلورة، وتظهر خصائص مختلفة في مراحل النمو المختلفة.

ماذا يحدث خلال المرحلة المبكرة من نمو البلورات؟

في المرحلة الأولية لنمو البلورات، يؤثر التدرج الحراري الشعاعي بشكل كبير على توزيع المقاومة. تكون المقاومة أقل في المنطقة الوسطى من البلورة وتزداد تدريجيًا نحو الحواف، وذلك بسبب التدرج الحراري الأكبر مما يؤدي إلى انخفاض تركيز المنشطات النيتروجينية من المركز إلى الأطراف. يتأثر تعاطي المنشطات النيتروجينية في هذه المرحلة بشكل أساسي بتدرج درجة الحرارة، حيث يُظهر توزيع تركيز الناقل خصائص واضحة اعتمادًا على التغيرات في درجات الحرارة. أكدت قياسات مطيافية رامان أن تركيز الموجة الحاملة أعلى عند المركز وأقل عند الحواف، وهو ما يتوافق مع نتائج توزيع المقاومة.

ما هي التغييرات التي تحدث في منتصف مرحلة نمو البلورات؟

مع تقدم نمو البلورات، تتوسع جوانب النمو، ويتناقص التدرج الحراري الشعاعي. خلال هذه المرحلة، على الرغم من أن التدرج الحراري الشعاعي لا يزال يؤثر على توزيع المقاومة، إلا أن تأثير آلية النمو الحلزوني على الجوانب البلورية يصبح واضحًا. تكون المقاومة أقل بشكل ملحوظ في المناطق السطحية مقارنة بالمناطق غير السطحية. أظهر تحليل رامان الطيفي للرقاقة 23 أن تركيز الناقل أعلى بكثير في المناطق الجانبية، مما يشير إلى أن آلية النمو الحلزوني تعزز زيادة تعاطي المنشطات النيتروجينية، مما يؤدي إلى انخفاض المقاومة في هذه المناطق.

ما هي خصائص المرحلة المتأخرة من نمو البلورات؟

في المراحل اللاحقة من نمو البلورات، تصبح آلية النمو الحلزوني على الجوانب هي المهيمنة، مما يقلل من المقاومة في مناطق الجوانب ويزيد من فرق المقاومة مع مركز البلورة. كشف تحليل توزيع المقاومة للرقاقة 44 أن المقاومة في المناطق الجانبية أقل بكثير، مما يتوافق مع ارتفاع المنشطات النيتروجينية في هذه المناطق. أشارت النتائج إلى أنه مع زيادة سمك البلورة، فإن تأثير آلية النمو الحلزوني على تركيز الناقل يفوق تأثير التدرج الحراري الشعاعي. يكون تركيز المنشطات النيتروجينية موحدًا نسبيًا في المناطق غير الوجهية ولكنه أعلى بشكل ملحوظ في المناطق الوجهية، مما يشير إلى أن آلية المنشطات في المناطق الوجهية تتحكم في تركيز الناقل وتوزيع المقاومة في مرحلة النمو المتأخرة.

كيف يتم التدرج في درجة الحرارة وتعاطي المنشطات النيتروجينية؟

كما أظهرت نتائج التجربة وجود علاقة إيجابية واضحة بين تركيز المنشطات النيتروجينية والتدرج الحراري. في المرحلة المبكرة، يكون تركيز المنشطات النيتروجينية أعلى في الوسط وأقل في المناطق الجانبية. مع نمو البلورة، يزداد تركيز المنشطات النيتروجينية في المناطق الجانبية تدريجيًا، ويتجاوز في النهاية التركيز الموجود في المركز، مما يؤدي إلى اختلافات المقاومة. يمكن تحسين هذه الظاهرة من خلال التحكم في الجزء الحجمي لغاز النيتروجين. كشف تحليل المحاكاة العددية أن الانخفاض في التدرج الحراري الشعاعي يؤدي إلى تركيز منشطات النيتروجين أكثر اتساقًا، وهو واضح بشكل خاص في مراحل النمو اللاحقة. حددت التجربة التدرج الحرج لدرجة الحرارة (ΔT) والذي يميل توزيع المقاومة تحته إلى أن يصبح موحدًا.

ما هي آلية المنشطات النيتروجينية؟

لا يتأثر تركيز المنشطات بالنيتروجين بدرجة الحرارة والتدرج الحراري الشعاعي فحسب، بل يتأثر أيضًا بنسبة C/Si والجزء الحجمي لغاز النيتروجين ومعدل النمو. في المناطق غير السطحية، يتم التحكم في تعاطي المنشطات النيتروجينية بشكل أساسي عن طريق درجة الحرارة ونسبة C/Si، بينما في المناطق السطحية، يلعب الجزء الحجمي لغاز النيتروجين دورًا أكثر أهمية. أظهرت الدراسة أنه من خلال ضبط الجزء الحجمي لغاز النيتروجين في المناطق الجانبية، يمكن تقليل المقاومة بشكل فعال، مما يحقق تركيزًا أعلى للحامل.

ويصور الشكل 1 (أ) مواضع الرقاقات المختارة، التي تمثل مراحل نمو مختلفة للبلورة. الرقاقة رقم 1 تمثل المرحلة المبكرة، رقم 23 تمثل المرحلة المتوسطة، ورقم 44 تمثل المرحلة المتأخرة. ومن خلال تحليل هذه الرقاقات، يمكن للباحثين مقارنة تغيرات توزيع المقاومة في مراحل النمو المختلفة.

تُظهر الأشكال 1 (ب) و1© و1(د) على التوالي خرائط توزيع المقاومة للرقاقات رقم 1 ورقم 23 ورقم 44، حيث تشير كثافة اللون إلى مستويات المقاومة، حيث تمثل المناطق الداكنة مواضع الجوانب ذات المستويات المنخفضة المقاومة.

الرقاقة رقم 1: جوانب النمو صغيرة وتقع على حافة الرقاقة، مع مقاومة إجمالية عالية تزداد من المركز إلى الحافة.

الرقاقة رقم 23: توسعت الأوجه وأصبحت أقرب إلى مركز الرقاقة، مع مقاومة أقل بكثير في مناطق الأوجه ومقاومة أعلى في المناطق غير الأوجه.

الرقاقة رقم 44: تستمر الجوانب في التوسع والتحرك نحو مركز الرقاقة، مع انخفاض المقاومة في مناطق الواجهات بشكل ملحوظ مقارنة بالمناطق الأخرى.

يوضح الشكل 2 (أ) تباين عرض جوانب النمو على طول اتجاه قطر البلورة (اتجاه [1120]) مع مرور الوقت. وتتوسع الجوانب من المناطق الأضيق في مرحلة النمو المبكرة إلى مناطق أوسع في المرحلة اللاحقة.

تعرض الأشكال 2 (ب) و2© و2(د) توزيع المقاومة على طول اتجاه القطر للرقاقات رقم 1 ورقم 23 ورقم 44 على التوالي.

الرقاقة رقم 1: تأثير جوانب النمو ضئيل للغاية، مع زيادة المقاومة تدريجيًا من المركز إلى الحافة.

الرقاقة رقم 23: تخفض الأوجه المقاومة بشكل ملحوظ، بينما تحافظ المناطق غير الأوجه على مستويات مقاومة أعلى.

الرقاقة رقم 44: تتميز مناطق الجوانب بمقاومة أقل بكثير من بقية الرقاقة، مع أن تأثير الجوانب على المقاومة يصبح أكثر وضوحًا.

توضح الأشكال 3 (أ) و3 (ب) و3© على التوالي إزاحات رامان لوضع LOPC المقاسة في مواضع مختلفة (A، B، C، D) على الرقاقات رقم 1 ورقم 23 ورقم 44 مما يعكس التغيرات في تركيز الناقل.

الرقاقة رقم 1: يتناقص انزياح رامان تدريجياً من المركز (النقطة أ) إلى الحافة (النقطة ج)، مما يشير إلى انخفاض تركيز المنشطات النيتروجينية من المركز إلى الحافة. لم يلاحظ أي تغيير كبير في تحول رامان عند النقطة D (منطقة الوجه).

الرقاقات رقم 23 ورقم 44: إنزياح رامان أعلى في المناطق الجانبية (النقطة د)، مما يشير إلى تركيز أعلى للمنشطات النيتروجينية، بما يتوافق مع قياسات المقاومة المنخفضة.

يوضح الشكل 4 (أ) التباين في تركيز الناقل وتدرج درجة الحرارة الشعاعية في المواضع الشعاعية المختلفة للرقائق. ويشير إلى أن تركيز الناقل يتناقص من المركز إلى الحافة، بينما يكون التدرج الحراري أكبر في مرحلة النمو المبكرة وينخفض ​​بعد ذلك.

يوضح الشكل 4 (ب) التغير في الفرق في تركيز الناقل بين مركز الوجه ومركز الرقاقة مع تدرج درجة الحرارة (ΔT). في مرحلة النمو المبكرة (الرقاقة رقم 1)، يكون تركيز الناقل في مركز الرقاقة أعلى منه في مركز الجوانب. مع نمو البلورة، يتجاوز تركيز منشطات النيتروجين في مناطق الوجه تدريجيًا التركيز الموجود في المركز، مع تغير Δn من السالب إلى الموجب، مما يشير إلى الهيمنة المتزايدة لآلية نمو الوجه.

يوضح الشكل 5 التغير في المقاومة في مركز الرقاقة ومركز الواجهة مع مرور الوقت. مع نمو البلورة، تزيد المقاومة في مركز الرقاقة من 15.5 متر مكعب إلى 23.7 متر مكعب، بينما تزيد المقاومة في مركز الواجهة مبدئيًا إلى 22.1 متر مكعب ثم تنخفض إلى 19.5 متر مكعب. ويرتبط انخفاض المقاومة في المناطق الجانبية بالتغيرات في الجزء الحجمي لغاز النيتروجين، مما يشير إلى وجود علاقة سلبية بين تركيز المنشطات النيتروجينية والمقاومة.

الاستنتاجات

الاستنتاجات الرئيسية للدراسة هي أن التدرج الحراري الشعاعي ونمو الجوانب البلورية يؤثران بشكل كبير على توزيع المقاومة في بلورات 4H-SiC:

في المرحلة المبكرة من نمو البلورة، يحدد التدرج الحراري الشعاعي توزيع تركيز الموجة الحاملة، مع مقاومة أقل عند مركز البلورة وأعلى عند الحواف.

مع نمو البلورة، يزداد تركيز المنشطات النيتروجينية في مناطق الجوانب، مما يقلل المقاومة، ويصبح فرق المقاومة بين مناطق الجوانب ومركز البلورة أكثر وضوحًا.

تم تحديد التدرج الحرج لدرجة الحرارة، مما يشير إلى انتقال التحكم في توزيع المقاومة من التدرج الحراري الشعاعي إلى آلية نمو الجوانب.**

المصدر الأصلي: Xie, X., Kong, Y., Xu, L., Yang, D., & Pi, X. (2024). توزيع المقاومة الكهربائية لبلورة n-type 4H-SiC. مجلة النمو البلوري. https://doi.org/10.1016/j.jcrysgro.2024.127892