PAM-XIAMEN kan förse dig med 4H-SiC wafers som passar dina krav, specifikationer som finns ihttps://www.powerwaywafer.com/sic-wafer/sic-wafer-substrate.html.
Styrningen av en enkristallform under tillväxtprocessen för SiC-kristaller är ett komplext problem, som involverar valet av flera tillväxtparametrar och optimering av temperaturfältstrukturen, och parametrarna är relaterade till varandra. De viktigaste faktorerna som för närvarande är kända för att påverka den stabila tillväxten av kiselkarbidkristaller inkluderar frökristallpolaritet och off-axelvinkel, tillväxttemperatur, övermättnad, Si/C-förhållande för gasfaskomponenter, tillväxttryck, dopningstyp, etc. Detta innebär att exakt kontroll av SiC-kristallformen blir svårare.
1. Tillväxtstegens inverkan på stabiliteten hos 4H-SiC-kristallstrukturen
På ytan av SiC-kristaller odlade med PVT-metoden kan spiralstegstillväxtegenskaper tydligt observeras genom optisk mikroskopi, särskilt i regionen nära små plan, som visas i Fig. 1. Vanligtvis, ju närmare det är ett litet plant område, desto bredare är planets bredd mellan dess steg. Men när den rör sig bort från det lilla platta området, minskar eller försvinner stegens bredd gradvis, vilket främst är relaterat till vinkeln mellan tangentlinjerna vid olika positioner och det lilla planet. Under tillväxtprocessen för kiselkarbidkristaller hjälper tillväxtstegen som bildas på ytan av frökristallerna till att upprätthålla kärnbildningen och utvecklingen av en enda kristallform.
Fig. 1 Optisk bild av N-dopad 4H SiC-yta
Guo et al. observerade att även om det kan finnas ett fasövergångsbeteende under kristalltillväxt, bibehåller den lilla plana regionen konsekvent en enda kristalltillväxt av 4H SiC, på grund av stegtillväxtläget som upprätthålls i hela regionen. Bildandet av ytsteg kan främja kärnbildning och tillväxt av gasfasatomer längs stegen eller vecken, strikt ärver den befintliga staplingsinformationen för tillväxtstegen och därmed lätt bibehålla enkristalltillväxt. Förutom att tillhandahålla tillväxtsteg är bredden på planet mellan stegen också en nyckelfaktor som påverkar den stabila tillväxten av kristallformen.
Liu et al. påpekade att när bredden på planet mellan tillväxtstegen är mindre än diffusionsavståndet för gasfasatomer, kommer gasfasatomerna smidigt in i steget eller vrider sig genom adsorptions- och diffusionsprocesser och ärver staplingsordningen för den inneboende kristallen form, för att uppnå målet med stabil kristallform. Tvärtom, när atomdiffusionsavståndet är mycket mindre än planbredden, är gasfasatomer benägna att aggregeras och bildar tvådimensionell kärnbildning på planet, vilket resulterar i 15R eller 6H polytypinneslutningar. Man kan dra slutsatsen att förutsättningen för att bibehålla tillväxten av en enkristallform av kiselkarbid är bildandet av ytsteg, och nyckeln ligger i att kontrollera planbredden mellan stegen. Användningen av frökristaller utanför axeln och införandet av dopning kan effektivt minska planbredden mellan stegen, undertrycka stegaggregationsbeteende och hjälpa till att uppnå stabil kristalltillväxt.
2. Dopingtypers inverkan på stabiliteten av 4H-SiC-kristallstrukturen
Det är vanligtvis nödvändigt att förbereda SiC-enkristallsubstrat med låg resistivitet för att minska effektförlust orsakad av parasitiska substrat och kontaktresistans, och för att säkerställa tillförlitligheten hos SiC-enheter. Kväve (N)-dopning som en ytlig donatorförorening kan effektivt förbättra de elektriska egenskaperna hos n-typ SiC-substrat genom att ockupera C-gittret. Även om den teoretiska kvävedopningskoncentrationen kan nå 5×1020centimeter-3, motsvarande en kristallresistivitet på 0,005 Ω·cm, har de nuvarande kommersiella n-typ 4H SiC enkristallsubstraten huvudsakligen ett resistivitetsområde på 0,015~0,025 Ω·cm, vilket motsvarar en N-dopningskoncentration på 6×1018~1,5×1019centimeter-3. Detta beror på att tung doping (≥ 1020atomer / cm3) kan generera betydande staplingsfel, som i sin tur förändrar kristallstrukturen och genererar olika elektroninfångningsdefekter, och till och med leda till 3C-polytypinneslutningar. Förutom att förbättra konduktiviteten hos SiC-substrat, har N-dopning också visat sig vara användbar för att stabilisera tillväxten av 4H SiC-kristallformer.
Nishizawa et al. undersökte effekten av N-dopning på stabiliteten av 4H-SiC kristallform med hjälp av densitetsfunktionsteori (DFT). Resultaten indikerar att dopning avsevärt kan utöka staplingsenergiskillnaden mellan olika kristallformer, och under N-dopning är staplingsenergiskillnaden på C-planet (E6H-E4H) och (E3C-E4H) mycket större än 0, vilket indikerar att 4H-SiC-kristallform kommer företrädesvis att kärna och växa. Schmitt et al. gav tre möjliga förklaringar till mekanismen för N-dopad stabil 4H-kristallstruktur:
1) N-dopning främjar ökningen av C-innehållande komponenter i gasfasen vid den främre delen av tillväxtgränsytan och minskar Si/C-förhållandet genom att uppta C-gittret på SiC-gittret;
2) Reaktionen mellan kväve och fast kol bildar C2N2 och ökar transportkapaciteten för C ytterligare;
3) En högre kvävehalt i gasfasen hjälper till att undertrycka stegaggregation och minska planbredden mellan makroskopiska steg.
Det kan ses att N-dopning verkligen bidrar till den stabila tillväxten av 4H SiC-kristallform, och dopningseffekten är också relaterad till tillväxttemperaturen. Men kontrollen av dopningskoncentrationen är också avgörande, annars kommer det att leda till en ökning av dislokationstätheten i kristallen och inducera genereringen av 3C SiC multitypinneslutningar. När du väljer dopningskoncentration är det därför nödvändigt att balansera förhållandet mellan kristallstabilitet och defektdensitet. Rost et al. påpekade att när dopningskoncentrationen är större än 2×1019centimeter-3dubbla Shockley-staplingsfel kommer att uppstå i 4H SiC-kristallform. Det rekommenderas att dopningskoncentrationen är lägre än 2×1019centimeter-3.
Tvärtom, för Al-dopade system, tenderar 4H SiC att växa mer på fröets Si-yta. Detta indikerar att valet av frökristallpolaritet måste matcha dopningstypen. Utöver N- och Al-dopningen som nämns ovan har Ce-dopningen också visat sig ha en positiv effekt på stabilisering av 4H SiC-kristallstrukturen.
Eftersom Itoh et al. föreslog först 1994 att Ce-dopning kan hjälpa till att stabilisera 4H SiC-kristallstrukturen, relaterade forskningsresultat har rapporterats successivt. År 2010, Tymicki et al. introducerade Ce-dopning i 4H SiC-kristaller odlade med PVT-metoden, med CeO2 som ceriumkälla. Resultaten indikerar att Ce-dopning inte bara kan främja den stabila tillväxten av 4H SiC-kristallform, utan även undertrycka korrosionen på baksidan av frökristallen och förbättra enkristallutbytet. Vidare har Racka et al. använde CeSi2 som en ceriumkälla för att stabilt växa 4H SiC-kristaller på 6H SiC-kristallplanet och förklarade de viktigaste skillnaderna mellan de två ceriumkällorna (CeO2 och CeSi2) under tillväxtprocessen. Det vill säga, jämfört med CeO2, att använda CeSi2 som en ceriumkälla under samma beredningsförhållanden hjälper till att erhålla kiselkarbidkristaller med lägre elektrisk resistivitet. Tyvärr har ingen av dem angett en anledning för Ce-dopning för att undertrycka multi-typ inklusionsdefekter. År 2022, Racka Szmidt et al. gav en möjlig förklaring och påpekade att Ce i gasfasen kan förbättra förmågan för N att komma in i SiC-gittret, och därigenom öka C/Si-förhållandet i gasfaskomponenterna vid framsidan av tillväxtgränsytan. Detta är uppenbarligen fördelaktigt för att stabilisera 4H SiC-kristallformen och den optimala dopningskoncentrationen är 0,5 vikt-%. Om dopningskoncentrationen ökas ytterligare (1 vikt%) kommer det istället att inducera polymorfa inneslutningar.
3. Inverkan av andra faktorer på polytypisk stabilitet av 4H-SiC
Förutom de olika faktorerna som nämns ovan påverkar parametrar såsom kristalltillväxthastighet, tillväxttryck, tryckminskningshastighet och gränssnittsfrontövermättnad också stabiliteten hos 4H-SiC-kristallstrukturen i varierande grad. Kakimoto et al. genomförde en global simulering av det initiala kärnbildningsstadiet av 4H-SiC odlat med PVT-metod baserad på klassisk termodynamisk kärnbildningsteori. Det visade sig att skillnaden i fri energi som krävs för kärnbildning av 4H och 6H SiC kristallformer är positivt korrelerad med tillväxttrycket. Att öka tillväxttrycket kan öka skillnaden i kärnbildningsenergi mellan de två kristallformerna, och därigenom uppnå tillväxten av en enda 4H SiC-kristallform. För högt tryck hindrar dock klart kristalltillväxt.
Dessutom, även om övermättnaden som krävs för 4H-SiC-kristalltillväxt är relativt hög, är det inte nödvändigtvis bättre att ha en högre övermättnad. Yang et al. påpekade att överdriven övermättnad under tillväxtprocessen av 4H-SiC-kristallformer faktiskt kan inducera polytypinneslutningar i 6H och 15R SiC, särskilt vid kristallkanterna. Detta beror på att skillnaden i kärnbildningsfri energi mellan olika kristallformer är minimal vid kanten av frökristallen, och lägre övermättnad hjälper till att öka skillnaden i kärnbildningsenergi mellan 4H och 6H SiC kristallformer, vilket stabiliserar tillväxten av 4H SiC.
Den tvådimensionella kärnbildningsmekanismen kan användas för att förklara orsakerna till bildandet av multi-typ inklusionsdefekter orsakade av överdriven övermättnad. När en hög grad av övermättnad bildas på framsidan av tillväxtgränsytan, hinner inte gasfasmaterialet som adsorberas på tillväxtplanet migrera till steget eller vrida, vilket orsakar ömsesidig aggregering mellan atomer och ytterligare kärnbildning och tillväxt, som bildar isolerade öar och inducerar inneslutningar av flera typer. Detta indikerar indirekt att en för snabb tillväxthastighet är klart skadlig för framställningen av en enkel SiC-kristallform.
Sammantaget tenderar 4H-SiC-kristallstrukturen att växa i följande miljö: använder 4H SiC-frökristallen C-yta utanför axeln som tillväxtyta, justering av kavitetstrycket och tillväxttemperaturen för att bilda ett högre C/Si-förhållande och större övermättnad längst fram i tillväxtgränssnittet. Samtidigt införs cerium- och kvävedopade element i de polykristallina pulver- respektive gasfaskomponenterna, och stabiliteten hos temperatur- och luftflödesfälten nära tillväxtgränsytan bibehålls så mycket som möjligt under hela tillväxtcykeln. För att få en djupare förståelse av de faktorer och svarsmekanismer som inducerar multi-typ inklusionsdefekter, genomfördes ytterligare diskussion och analys av de viktigaste nyckelparametrarna från termodynamiska och kinetiska perspektiv.
För mer information, vänligen kontakta oss maila påvictorchan@powerwaywafer.com och powerwaymaterial@gmail.com.