PAM-XIAMEN có thể cung cấp cho bạn tấm wafer 4H-SiC phù hợp với nhu cầu của bạn, thông số kỹ thuật như tronghttps://www.powerwaywafer.com/sic-wafer/sic-wafer-substrate.html.

Việc kiểm soát một dạng tinh thể đơn lẻ trong quá trình phát triển của tinh thể SiC là một vấn đề phức tạp, liên quan đến việc lựa chọn nhiều tham số tăng trưởng và tối ưu hóa cấu trúc trường nhiệt độ và các tham số này có liên quan với nhau. Các yếu tố chính hiện được biết là ảnh hưởng đến sự tăng trưởng ổn định của dạng tinh thể cacbua silic bao gồm độ phân cực của tinh thể hạt và góc lệch trục, nhiệt độ tăng trưởng, độ siêu bão hòa, tỷ lệ Si/C của các thành phần pha khí, áp suất tăng trưởng, loại pha tạp, v.v. Điều này có nghĩa là việc điều khiển chính xác dạng tinh thể SiC trở nên khó khăn hơn.

1. Ảnh hưởng của các bước tăng trưởng đến độ ổn định của cấu trúc tinh thể 4H-SiC

Trên bề mặt tinh thể SiC được nuôi cấy bằng phương pháp PVT, có thể quan sát rõ các đặc điểm tăng trưởng bậc xoắn ốc qua kính hiển vi quang học, đặc biệt là ở vùng gần các mặt phẳng nhỏ, như trong Hình 1. Thông thường, càng gần với một diện tích phẳng nhỏ, chiều rộng của mặt phẳng giữa các bước của nó càng rộng. Tuy nhiên, khi di chuyển ra khỏi vùng phẳng nhỏ, chiều rộng của các bậc thang giảm dần hoặc thậm chí biến mất, điều này chủ yếu liên quan đến góc giữa các tiếp tuyến ở các vị trí khác nhau và mặt phẳng nhỏ. Trong quá trình phát triển của tinh thể cacbua silic, các bước tăng trưởng hình thành trên bề mặt tinh thể hạt giúp duy trì quá trình tạo mầm và phát triển của một dạng tinh thể đơn lẻ.

Hình 1 Ảnh quang học của bề mặt SiC 4H pha tạp N

Quách và cộng sự. quan sát thấy rằng mặc dù có thể có hành vi chuyển pha trong quá trình phát triển tinh thể, vùng phẳng nhỏ luôn duy trì mức tăng trưởng tinh thể đơn của 4H SiC, do chế độ tăng trưởng từng bước được duy trì trong toàn khu vực. Sự hình thành các bước bề mặt có thể thúc đẩy quá trình tạo mầm và tăng trưởng của các nguyên tử pha khí dọc theo các bước hoặc các nút thắt, kế thừa nghiêm ngặt thông tin xếp chồng hiện có của các bước tăng trưởng và do đó dễ dàng duy trì sự phát triển của tinh thể đơn lẻ. Ngoài việc cung cấp các bước tăng trưởng, chiều rộng của mặt phẳng giữa các bước cũng là yếu tố chính ảnh hưởng đến sự phát triển ổn định của dạng tinh thể.

Lưu và cộng sự. chỉ ra rằng khi chiều rộng của mặt phẳng giữa các bước tăng trưởng nhỏ hơn khoảng cách khuếch tán của các nguyên tử pha khí, các nguyên tử pha khí sẽ đi vào bước hoặc xoắn một cách trơn tru thông qua quá trình hấp phụ và khuếch tán và kế thừa thứ tự xếp chồng của tinh thể vốn có hình thức, để đạt được mục tiêu của dạng tinh thể ổn định. Ngược lại, khi khoảng cách khuếch tán nguyên tử nhỏ hơn nhiều so với chiều rộng mặt phẳng, các nguyên tử pha khí có xu hướng kết tụ và tạo thành mầm hai chiều trên mặt phẳng, dẫn đến các thể vùi đa hình 15R hoặc 6H. Có thể suy ra rằng điều kiện tiên quyết để duy trì sự phát triển của một dạng tinh thể silicon cacbua là sự hình thành các bước bề mặt và mấu chốt nằm ở việc kiểm soát độ rộng mặt phẳng giữa các bước. Việc sử dụng các tinh thể hạt ngoài trục và đưa vào chất pha tạp có thể làm giảm chiều rộng mặt phẳng giữa các bước một cách hiệu quả, ngăn chặn hành vi kết hợp các bước và giúp đạt được sự phát triển tinh thể ổn định.

2. Ảnh hưởng của các loại pha tạp đến độ ổn định của cấu trúc tinh thể 4H-SiC

Thông thường, cần chuẩn bị các chất nền đơn tinh thể SiC có điện trở suất thấp để giảm tổn thất điện năng do chất nền ký sinh và điện trở tiếp xúc, đồng thời để đảm bảo độ tin cậy của thiết bị SiC. Pha tạp nitơ (N) như một tạp chất của nhà tài trợ nông có thể cải thiện hiệu quả các tính chất điện của chất nền SiC loại n bằng cách chiếm mạng C. Mặc dù nồng độ pha tạp nitơ theo lý thuyết có thể đạt tới 5 × 10²⁰cm^-3, tương ứng với điện trở suất tinh thể 0,005 Ω·cm, chất nền đơn tinh thể SiC loại n thương mại hiện nay chủ yếu có dải điện trở suất 0,015 ~ 0,025 Ω·cm, tương ứng với nồng độ pha tạp N là 6 × 10¹⁸~1,5×10¹⁹cm^-3. Nguyên nhân là do doping nặng (> 10²⁰nguyên tử / cm³) có thể tạo ra các lỗi xếp chồng đáng kể, từ đó làm thay đổi cấu trúc tinh thể và tạo ra các khuyết tật bắt electron khác nhau, và thậm chí dẫn đến các thể vùi polytype 3C. Ngoài việc cải thiện độ dẫn điện của chất nền SiC, pha tạp N còn được chứng minh là hữu ích trong việc ổn định sự phát triển của các dạng tinh thể SiC 4H.

Nishizawa và cộng sự. đã nghiên cứu ảnh hưởng của pha tạp N đến tính ổn định của dạng tinh thể 4H-SiC bằng lý thuyết hàm mật độ (DFT). Kết quả chỉ ra rằng pha tạp có thể mở rộng đáng kể sự chênh lệch năng lượng xếp chồng giữa các dạng tinh thể khác nhau và trong pha tạp N, chênh lệch năng lượng xếp chồng trên mặt phẳng C (E6H-E4H) và (E3C-E4H) lớn hơn 0, cho thấy rằng Dạng tinh thể 4H-SiC sẽ ưu tiên tạo mầm và phát triển. Schmitt và cộng sự. đưa ra ba cách giải thích khả dĩ cho cơ chế cấu trúc tinh thể 4H ổn định pha tạp N:

1) Pha tạp N thúc đẩy sự gia tăng các thành phần chứa C trong pha khí ở phía trước bề mặt tăng trưởng và giảm tỷ lệ Si/C bằng cách chiếm mạng C trên mạng SiC;

2) Phản ứng giữa nitơ và cacbon rắn tạo thành C2N2 và nâng cao hơn nữa khả năng vận chuyển của C;

3) Hàm lượng nitơ cao hơn trong pha khí giúp ngăn chặn sự kết tụ các bước và giảm độ rộng mặt phẳng giữa các bước vĩ mô.

Có thể thấy rằng pha tạp N thực sự góp phần vào sự phát triển ổn định của dạng tinh thể SiC 4H và hiệu ứng pha tạp cũng liên quan đến nhiệt độ tăng trưởng. Tuy nhiên, việc kiểm soát nồng độ pha tạp cũng rất quan trọng, nếu không nó sẽ dẫn đến sự gia tăng mật độ sai lệch trong tinh thể và tạo ra sự hình thành các thể vùi đa loại 3C SiC. Vì vậy, khi lựa chọn nồng độ pha tạp cần cân bằng mối quan hệ giữa độ ổn định tinh thể và mật độ khuyết tật. Rost và cộng sự. chỉ ra rằng khi nồng độ doping lớn hơn 2 × 10¹⁹cm^-3, lỗi xếp chồng Shockley kép sẽ xảy ra ở dạng tinh thể SiC 4H. Khuyến nghị nồng độ doping thấp hơn 2×10¹⁹cm^-3.

Ngược lại, đối với hệ pha tạp Al, 4H SiC có xu hướng phát triển nhiều hơn trên bề mặt hạt Si. Điều này cho thấy việc lựa chọn độ phân cực của tinh thể hạt cần phải phù hợp với loại pha tạp. Ngoài pha tạp N và Al nêu trên, pha tạp Ce còn được chứng minh là có tác dụng tích cực trong việc ổn định cấu trúc tinh thể SiC 4H.

Vì Itoh và cộng sự. đề xuất đầu tiên vào năm 1994 rằng pha tạp Ce có thể giúp ổn định cấu trúc tinh thể SiC 4H, các kết quả nghiên cứu liên quan đã được báo cáo liên tiếp. Năm 2010, Tymicki và cộng sự. đưa pha tạp Ce vào tinh thể SiC 4H được nuôi cấy bằng phương pháp PVT, với CeO2 là nguồn xeri. Kết quả chỉ ra rằng pha tạp Ce không chỉ có thể thúc đẩy sự phát triển ổn định của dạng tinh thể SiC 4H mà còn ngăn chặn sự ăn mòn ở mặt sau của tinh thể hạt và cải thiện năng suất tinh thể đơn. Hơn nữa, Racka và cộng sự. đã sử dụng CeSi2 làm nguồn xeri để phát triển ổn định các tinh thể SiC 4H trên mặt phẳng tinh thể SiC 6H và giải thích sự khác biệt chính giữa hai nguồn xeri (CeO2 và CeSi2) trong quá trình tăng trưởng. Nghĩa là, so với CeO2, sử dụng CeSi2 làm nguồn xeri trong cùng điều kiện điều chế sẽ giúp thu được các tinh thể cacbua silic có điện trở suất thấp hơn. Thật không may, không ai trong số họ đưa ra lý do để doping Ce có thể ngăn chặn các khuyết tật bao gồm nhiều loại. Vào năm 2022, Racka Szmidt và cộng sự. đưa ra lời giải thích hợp lý, chỉ ra rằng Ce trong pha khí có thể tăng cường khả năng N xâm nhập vào mạng SiC, do đó làm tăng tỷ lệ C/Si trong các thành phần pha khí ở phía trước giao diện tăng trưởng. Điều này rõ ràng có lợi cho việc ổn định dạng tinh thể SiC 4H và nồng độ pha tạp tối ưu là 0,5% trọng lượng. Nếu nồng độ pha tạp tăng thêm (1 wt%), thay vào đó nó sẽ tạo ra các thể vùi đa hình.

3. Ảnh hưởng của các yếu tố khác đến độ ổn định đa hình của 4H-SiC

Ngoài các yếu tố khác nhau được đề cập ở trên, các thông số như tốc độ tăng trưởng tinh thể, áp suất tăng trưởng, tốc độ giảm áp suất và độ bão hòa phía trước giao diện cũng ảnh hưởng đến độ ổn định của cấu trúc tinh thể 4H-SiC ở các mức độ khác nhau. Kakimoto và cộng sự. đã tiến hành mô phỏng toàn cầu về giai đoạn tạo mầm ban đầu của 4H-SiC được phát triển bằng phương pháp PVT dựa trên lý thuyết tạo mầm nhiệt động cổ điển. Người ta nhận thấy rằng sự khác biệt về năng lượng tự do cần thiết cho quá trình tạo mầm của dạng tinh thể SiC 4H và 6H có mối tương quan thuận với áp lực tăng trưởng. Việc tăng áp lực tăng trưởng có thể làm tăng sự khác biệt về năng lượng tạo mầm giữa hai dạng tinh thể, từ đó đạt được sự tăng trưởng của một dạng tinh thể SiC 4H duy nhất. Tuy nhiên, áp lực quá mức rõ ràng cản trở sự phát triển của tinh thể.

Hơn nữa, mặc dù độ siêu bão hòa cần thiết cho sự phát triển của tinh thể 4H-SiC là tương đối cao, nhưng không nhất thiết phải có độ siêu bão hòa cao hơn. Yang và cộng sự. đã chỉ ra rằng sự quá bão hòa quá mức trong quá trình phát triển của các dạng tinh thể 4H-SiC thực sự có thể tạo ra các thể vùi polytype trong 6H và 15R SiC, đặc biệt là ở các cạnh tinh thể. Điều này là do sự khác biệt về năng lượng tự do tạo mầm giữa các dạng tinh thể khác nhau là tối thiểu ở rìa của tinh thể mầm và độ siêu bão hòa thấp hơn giúp tăng sự khác biệt về năng lượng tạo mầm giữa các dạng tinh thể SiC 4H và 6H, từ đó ổn định sự phát triển của 4H SiC.

Cơ chế tạo mầm hai chiều có thể được sử dụng để giải thích lý do hình thành các khuyết tật bao thể đa loại do quá bão hòa quá mức. Khi mức độ siêu bão hòa cao được hình thành ở phía trước giao diện tăng trưởng, vật liệu pha khí được hấp phụ trên mặt phẳng tăng trưởng không có thời gian để di chuyển đến bước hoặc xoắn, gây ra sự kết tụ lẫn nhau giữa các nguyên tử và tạo mầm và phát triển hơn nữa, hình thành các đảo biệt lập và tạo ra nhiều thể vùi. Điều này gián tiếp chỉ ra rằng tốc độ tăng trưởng quá nhanh rõ ràng có hại cho việc điều chế một dạng tinh thể SiC đơn lẻ.

Nhìn chung, cấu trúc tinh thể 4H-SiC có xu hướng phát triển trong môi trường sau: sử dụng bề mặt tinh thể hạt C 4H SiC ngoài trục làm bề mặt phát triển, điều chỉnh áp suất khoang và nhiệt độ tăng trưởng để tạo thành tỷ lệ C/Si cao hơn và độ siêu bão hòa lớn hơn ở phía trước của giao diện tăng trưởng. Đồng thời, các nguyên tố pha tạp xeri và nitơ lần lượt được đưa vào các thành phần bột đa tinh thể và pha khí, đồng thời sự ổn định của trường nhiệt độ và luồng không khí gần giao diện tăng trưởng được duy trì nhiều nhất có thể trong toàn bộ chu kỳ tăng trưởng. Để hiểu sâu hơn về các yếu tố và cơ chế phản ứng gây ra khuyết tật bao gồm nhiều loại, chúng tôi đã tiến hành thảo luận và phân tích sâu hơn về các thông số chính từ góc độ nhiệt động lực học và động học.

Để biết thêm thông tin, xin vui lòng liên hệ với chúng tôi email tạivictorchan@powerwaywafer.com và powerwaymaterial@gmail.com.