PAM-XIAMEN kan forsyne dig med 4H-SiC wafere, der passer til dine krav, specifikationer som findes ihttps://www.powerwaywafer.com/sic-wafer/sic-wafer-substrate.html.

Styringen af ​​en enkelt krystalform under vækstprocessen af ​​SiC-krystaller er et komplekst problem, der involverer udvælgelse af flere vækstparametre og optimering af temperaturfeltstrukturen, og parametrene er indbyrdes forbundne. De vigtigste faktorer, der i øjeblikket vides at påvirke den stabile vækst af siliciumcarbid krystalform, omfatter podekrystalpolaritet og off-akse-vinkel, væksttemperatur, overmætning, Si/C-forhold mellem gasfasekomponenter, væksttryk, dopingtype osv. Dette betyder at præcis kontrol af SiC-krystalformen bliver vanskeligere.

1. Væksttrins indflydelse på stabiliteten af ​​4H-SiC krystalstruktur

På overfladen af ​​SiC-krystaller dyrket ved PVT-metoden kan spiraltrinsvækstkarakteristika tydeligt observeres gennem optisk mikroskopi, især i området nær små planer, som vist i fig. 1. Normalt, jo tættere det er på et lille fladt område, jo bredere er flyets bredde mellem dets trin. Men efterhånden som den bevæger sig væk fra det lille flade område, aftager eller forsvinder bredden af ​​trinene gradvist, hvilket hovedsageligt er relateret til vinklen mellem tangentlinjerne i forskellige positioner og det lille plan. Under vækstprocessen af ​​siliciumcarbidkrystaller hjælper væksttrinene, der dannes på overfladen af ​​frøkrystallerne, med at opretholde kernedannelsen og udviklingen af ​​en enkelt krystalform.

Fig. 1 Optisk billede af N-doteret 4H SiC-overflade

Guo et al. observerede, at selvom der kan være en faseovergangsadfærd under krystalvækst, opretholder den lille plane region konsekvent en enkelt krystalvækst af 4H SiC på grund af den trinvise væksttilstand, der opretholdes i hele regionen. Dannelsen af ​​overfladetrin kan fremme kernedannelsen og væksten af ​​gasfaseatomer langs trinene eller kinkene, strengt arve den eksisterende stablingsinformation fra væksttrinene og således nemt opretholde enkeltkrystalvækst. Ud over at give væksttrin, er bredden af ​​planet mellem trinene også en nøglefaktor, der påvirker den stabile vækst af krystalformen.

Liu et al. påpegede, at når bredden af ​​planet mellem væksttrinene er mindre end diffusionsafstanden af ​​gasfaseatomer, kommer gasfaseatomerne jævnt ind i trinnet eller vrider sig gennem adsorptions- og diffusionsprocesser og arver stablerækkefølgen af ​​den iboende krystal form, for at nå målet om stabil krystalform. Tværtimod, når den atomare diffusionsafstand er meget mindre end planbredden, er gasfaseatomer tilbøjelige til at aggregere og danner todimensionel nukleation på planet, hvilket resulterer i 15R eller 6H polytype indeslutninger. Det kan udledes, at forudsætningen for at opretholde væksten af ​​en enkelt krystalform af siliciumcarbid er dannelsen af ​​overfladetrin, og nøglen ligger i at kontrollere planbredden mellem trinene. Brugen af ​​off-akse frøkrystaller og indførelsen af ​​doping kan effektivt reducere planbredden mellem trin, undertrykke trinaggregationsadfærd og hjælpe med at opnå stabil krystalvækst.

2. Indflydelse af dopingtyper på stabiliteten af ​​4H-SiC krystalstruktur

Det er normalt nødvendigt at forberede SiC enkeltkrystalsubstrater med lav resistivitet for at reducere strømtab forårsaget af parasitære substrater og kontaktmodstand og for at sikre pålideligheden af ​​SiC-enheder. Nitrogen (N)-doping som en overfladisk donorurenhed kan effektivt forbedre de elektriske egenskaber af n-type SiC-substrater ved at optage C-gitteret. Selvom den teoretiske nitrogen-dopingkoncentration kan nå 5×10²⁰cm^-3, svarende til en krystalresistivitet på 0,005 Ω·cm, har de nuværende kommercielle n-type 4H SiC enkeltkrystalsubstrater hovedsageligt et resistivitetsområde på 0,015~0,025 Ω·cm, svarende til N-dopingkoncentrationen på 6×10¹⁸~1,5×10¹⁹cm^-3. Dette skyldes, at kraftig doping (≥ 10²⁰atomer / cm³) kan generere betydelige stablingsfejl, som igen ændrer krystalstrukturen og genererer forskellige elektronindfangningsdefekter og endda føre til 3C polytype indeslutninger. Ud over at forbedre ledningsevnen af ​​SiC-substrater har N-doping også vist sig at være nyttig til at stabilisere væksten af ​​4H SiC-krystalformer.

Nishizawa et al. undersøgte effekten af ​​N-doping på stabiliteten af ​​4H-SiC krystalform ved hjælp af densitetsfunktionel teori (DFT). Resultaterne indikerer, at doping signifikant kan udvide stableenergiforskellen mellem forskellige krystalformer, og under N-doping er stablingsenergiforskellen på C-planet (E6H-E4H) og (E3C-E4H) meget større end 0, hvilket indikerer, at 4H-SiC krystalform vil fortrinsvis nukleere og vokse. Schmitt et al. gav tre mulige forklaringer på mekanismen for N-doteret stabil 4H krystalstruktur:

1) N-doping fremmer stigningen af ​​C-holdige komponenter i gasfasen ved forsiden af ​​vækstgrænsefladen og reducerer Si/C-forholdet ved at optage C-gitteret på SiC-gitteret;

2) Reaktionen mellem nitrogen og fast kulstof danner C2N2 og øger yderligere transportkapaciteten af ​​C;

3) Et højere nitrogenindhold i gasfasen er med til at undertrykke trinaggregation og reducere planbredden mellem makroskopiske trin.

Det kan ses, at N-doping faktisk bidrager til den stabile vækst af 4H SiC-krystalform, og dopingeffekten er også relateret til væksttemperaturen. Men kontrollen af ​​dopingkoncentrationen er også afgørende, ellers vil det føre til en stigning i dislokationstætheden i krystallen og inducere dannelsen af ​​3C SiC multi-type indeslutninger. Når du vælger dopingkoncentration, er det derfor nødvendigt at balancere forholdet mellem krystalstabilitet og defekttæthed. Rost et al. påpeget, at når dopingkoncentrationen er større end 2×10¹⁹cm^-3, vil dobbelte Shockley-stablingsfejl forekomme i 4H SiC-krystalformen. Det anbefales, at dopingkoncentrationen er lavere end 2×10¹⁹cm^-3.

Tværtimod, for Al-doterede systemer har 4H SiC en tendens til at vokse mere på frø-Si-overfladen. Dette indikerer, at valget af frøkrystalpolaritet skal matche dopingtypen. Ud over N- og Al-dopingen nævnt ovenfor, har Ce-doping også vist sig at have en positiv effekt på stabilisering af 4H SiC-krystalstrukturen.

Da Itoh et al. første gang foreslog i 1994, at Ce-doping kan hjælpe med at stabilisere 4H SiC-krystalstrukturen, relaterede forskningsresultater er blevet rapporteret successivt. I 2010, Tymicki et al. introducerede Ce-doping i 4H SiC-krystaller dyrket ved PVT-metoden med CeO2 som ceriumkilde. Resultaterne indikerer, at Ce-doping ikke kun kan fremme den stabile vækst af 4H SiC-krystalform, men også undertrykke korrosionen på bagsiden af ​​frøkrystallen og forbedre enkeltkrystaludbyttet. Endvidere har Racka et al. brugte CeSi2 som en ceriumkilde til stabilt at dyrke 4H SiC-krystaller på 6H SiC-krystalplanet og forklarede de vigtigste forskelle mellem de to ceriumkilder (CeO2 og CeSi2) under vækstprocessen. Det vil sige, at sammenlignet med CeO2 hjælper brug af CeSi2 som ceriumkilde under de samme præparationsbetingelser til at opnå siliciumcarbidkrystaller med lavere elektrisk resistivitet. Desværre har ingen af ​​dem givet en grund til Ce-doping for at undertrykke multi-type inklusionsdefekter. I 2022, Racka Szmidt et al. gav en mulig forklaring og påpegede, at Ce i gasfasen kan øge N's evne til at komme ind i SiC-gitteret og derved øge C/Si-forholdet i gasfasekomponenterne foran på vækstgrænsefladen. Dette er naturligvis gavnligt til stabilisering af 4H SiC-krystalformen, og den optimale dopingkoncentration er 0,5 vægt%. Hvis dopingkoncentrationen øges yderligere (1 vægt%), vil det i stedet inducere polymorfe indeslutninger.

3. Indflydelse af andre faktorer på den polytypiske stabilitet af 4H-SiC

Ud over de forskellige faktorer, der er nævnt ovenfor, påvirker parametre såsom krystalvæksthastighed, væksttryk, trykaflastningshastighed og grænsefladefrontovermætning også stabiliteten af ​​4H-SiC-krystalstrukturen i varierende grad. Kakimoto et al. gennemførte en global simulering af det indledende nukleeringsstadium af 4H-SiC dyrket ved PVT-metode baseret på klassisk termodynamisk nukleationsteori. Det blev fundet, at forskellen i fri energi, der kræves til nukleering af 4H og 6H SiC krystalformer, er positivt korreleret med væksttrykket. Forøgelse af væksttrykket kan øge forskellen i nukleationsenergi mellem de to krystalformer og derved opnå vækst af en enkelt 4H SiC krystalform. For stort tryk forhindrer dog klart krystalvækst.

Selvom den overmætning, der kræves til 4H-SiC krystalvækst, er relativt høj, er det ikke nødvendigvis bedre at have en højere overmætning. Yang et al. påpegede, at overdreven overmætning under vækstprocessen af ​​4H-SiC krystalformer faktisk kan inducere polytype indeslutninger i 6H og 15R SiC, især ved krystalkanterne. Dette skyldes, at forskellen i nukleationsfri energi mellem forskellige krystalformer er minimal ved kanten af ​​podekrystallen, og lavere overmætning er med til at øge forskellen i nukleationsenergi mellem 4H og 6H SiC krystalformer, hvorved væksten af ​​4H SiC stabiliseres.

Den todimensionelle nukleationsmekanisme kan bruges til at forklare årsagerne til dannelsen af ​​multi-type inklusionsdefekter forårsaget af overdreven overmætning. Når der dannes en høj grad af overmætning foran vækstgrænsefladen, når gasfasematerialet, der er adsorberet på vækstplanet, ikke tid til at migrere til trinnet eller vride, hvilket forårsager gensidig aggregering mellem atomer og yderligere nukleation og vækst, der danner isolerede øer og inducerer multi-type indeslutninger. Dette indikerer indirekte, at en for hurtig væksthastighed klart er skadelig for fremstillingen af ​​en enkelt SiC-krystalform.

Samlet set har 4H-SiC-krystalstrukturen tendens til at vokse i følgende miljø: ved at bruge 4H SiC-frøkrystal-C-overfladen uden for aksen som vækstoverfladen, justeres hulrummets tryk og væksttemperaturen for at danne et højere C/Si-forhold og større overmætning på forsiden af ​​vækstgrænsefladen. Samtidig indføres cerium- og nitrogen-doterede elementer i henholdsvis de polykrystallinske pulver- og gasfasekomponenter, og stabiliteten af ​​temperatur- og luftstrømsfelterne nær vækstgrænsefladen opretholdes så meget som muligt gennem hele vækstcyklussen. For at opnå en dybere forståelse af de faktorer og reaktionsmekanismer, der inducerer multi-type inklusionsdefekter, blev yderligere diskussion og analyse gennemført på de vigtigste nøgleparametre fra termodynamiske og kinetiske perspektiver.

For mere information, kontakt os venligst e-mail påvictorchan@powerwaywafer.com og powerwaymaterial@gmail.com.