Tác động của việc phun cacbon lên tính chất điện và cấu trúc khuyết tật trong 4H-SiC

Tác động của việc phun cacbon lên tính chất điện và cấu trúc khuyết tật trong 4H-SiC +

Tấm epiticular 4H-SiC có sẵn cho các ứng dụng nghiên cứu và công nghiệp. Thêm thông số kỹ thuật, vui lòng liên hệ với đội ngũ bán hàng tại[email protected]

Là vật liệu bán dẫn có dải rộng, cacbua silic 4H (4H-SiC) thể hiện hiệu suất vượt trội trong các điều kiện khắc nghiệt như nhiệt độ cao và điện áp cao, khiến nó có triển vọng cao cho các ứng dụng thiết bị điện tử công suất. Tuy nhiên, các khuyết tật điểm thường xuất hiện ở các lớp epiticular 4H-SiC, đặc biệt là các chỗ khuyết cacbon (V_C), giảm đáng kể tuổi thọ của sóng mang thiểu số và do đó hạn chế hiệu suất của thiết bị. Để loại bỏ V_C, nhiều phương pháp khác nhau đã được các nhà nghiên cứu đề xuất, tất cả đều có chung cách tiếp cận chung là bơm các chất xen kẽ cacbon (C_Tôi) để hủy diệt V_Cqua phản ứng: C_Tôi+V_C→ mạng hoàn hảo. Tuy nhiên, quá trình phun cacbon có thể tạo ra các khuyết tật mới liên quan đến cacbon tạo ra các mức năng lượng trong vùng cấm, do đó ảnh hưởng đến tính chất điện của vật liệu. Đánh giá này phác thảo những tác động của việc bơm carbon lên sự hình thành khuyết tật, bẫy chất mang và tuổi thọ chất mang thiểu số trong 4H-SiC.

1. Phương pháp thí nghiệm: Phun cacbon và đặc tính

Trong nghiên cứu, việc bơm cacbon được thực hiện bằng phương pháp nắp cacbon (C-cap): chất quang dẫn được phủ lên bề mặt mẫu 4H-SiC và được đồ họa hóa bằng cách xử lý nhiệt chân không ở 900°C để tạo thành lớp nguồn cacbon; sau đó, quá trình ủ được thực hiện ở 1250°C trong môi trường khí Ar trong các khoảng thời gian khác nhau (1,5h, 2,5h, 6,6h). Quang phổ thoáng qua mức độ sâu (DLTS) và quang phổ thoáng qua sóng mang thiểu số (MCTS) đã được sử dụng để theo dõi những thay đổi trong bẫy sóng mang đa số và thiểu số trong quá trình tiêm, kết hợp với quang phát quang phân giải theo thời gian (TRPL) để đo sự phân bố độ sâu của tuổi thọ sóng mang thiểu số.

2. Tác động của việc bơm cacbon lên các bẫy chứa chất mang đa số của 4H-SiC

Kết quả DLTS cho thấy các mẫu đang trưởng thành chủ yếu chứa Z_1/2mức (tương ứng với mức chuyển tiếp điện tích (0/2-) của V_C) và mức R1 (khoảng 0,41eV). Sau khi phun carbon, nồng độ Z_1/2giảm đáng kể dưới giới hạn phát hiện DLTS (<1×10¹¹ cm⁻³), cho thấy sự tiêu diệt hiệu quả của V_C. Đồng thời, hàng loạt bẫy mới xuất hiện, trong đó có E_0.38(E_C-0,39eV), ON0a (E_C-0,58eV), ON0b (E_C-0,69eV), ON1 (E_C-0,89eV) và ON2 (E_C-1,15eV). Trong đó, E_0.38biến mất sau khi ủ sai lệch (600K), cho thấy nó bắt nguồn từ các khuyết tật xen kẽ carbon đơn không ổn định (C_Tôi), trong khi họ cấp độ ON thể hiện độ ổn định nhiệt cao hơn, có khả năng bắt nguồn từ các cụm carbon.

Hình 1 Phổ DLTS của 4H-SiC sau các khoảng thời gian ủ khác nhau, cho thấy sự xuất hiện của các mức bẫy mới (E₀.₃₈, E₀.₅₉, v.v.) và sự biến mất của mức Z1/2 sau khi bơm carbon

Hình 1 Phổ DLTS của 4H-SiC sau các khoảng thời gian ủ khác nhau, cho thấy sự xuất hiện của các cấp độ bẫy mới (E₀.₃₈, E₀.₅₉, v.v.) và sự biến mất của Z_1/2mức độ sau khi phun carbon

3. Tác động của việc bơm carbon lên bẫy mang chất thiểu số 4H-SiC

Các phép đo MCTS cho thấy các mẫu đang lớn có hàm lượng boron nông (B, ~E_V+0,27eV) và tâm D cấp độ sâu (~E_V+0,61eV, có thể liên quan đến B_C). Sau khi bơm carbon, nồng độ của tâm D giảm đáng kể hoặc biến mất hoàn toàn, đồng thời cường độ của mức boron nông cũng giảm xuống khoảng (3–5)×10¹² cm⁻³. Với thời gian tiêm kéo dài (6,6 giờ), bẫy mang thiểu số mới T1 (E_V+0,46eV), T2 (E_V+0,56eV) và T3 (đỉnh rộng, ~ E_V+1,17eV) xuất hiện ở nửa dưới của vùng cấm, có thể liên quan đến cụm carbon.

Hình 2 Sau khi bơm carbon, (a) quang phổ MCTS cho thấy sự giảm nồng độ liên quan đến boron (B, D) và (b) sự hình thành các bẫy liên quan đến carbon mới (T1, T2, T3)

Cấu hình độ sâu TRPL chỉ ra rằng tuổi thọ sóng mang thiểu số của mẫu đang phát triển đạt mức tối đa (~ 2,4μs) ở khoảng 80 μm tính từ bề mặt, với tuổi thọ thấp hơn ở vùng gần bề mặt do tái hợp bề mặt. Việc bơm carbon ngắn hạn (1,5 giờ, 2,5 giờ) dẫn đến giảm tuổi thọ trên toàn bộ lớp biểu bì, điều này có thể là do sự thay đổi tốc độ tái hợp bề mặt do xử lý ở nhiệt độ cao. Tuy nhiên, sau khi tiêm trong thời gian dài (6,6 giờ), thời gian tồn tại ở vùng gần bề mặt (0–50μm) tăng 10–20% so với mẫu đang phát triển. Sự cải thiện này có thể liên quan đến sự hủy diệt của V_Cvà tâm D theo sau C_tôitiêm. Tính toán cho thấy sau khi ủ ở 1250°C trong 6,6 giờ, chiều dài khuếch tán của C^Tôicó thể đạt ~ 52μm, đủ để ảnh hưởng đến cấu trúc khuyết tật ở vùng gần bề mặt.

Hình 3. Phân bố độ sâu của tuổi thọ sóng mang thiểu số được đo bằng TRPL sau các khoảng thời gian ủ khác nhau

4. Cấu trúc vi mô 4H-SiC Epi có khuyết tật phun carbon

Mức độ khiếm khuyết do phun carbon thể hiện sự đa dạng: E₀.₃₈ có thể tương ứng với C đơn lẻ_Tôivới hàng rào di chuyển xấp xỉ 2,35eV, gần với hàng rào khuếch tán được dự đoán theo lý thuyết của C_Tôidọc theo trục c (2,20eV). Họ cấp độ ON (ON0a, ON0b, v.v.) phù hợp với các mức khiếm khuyết quan sát được trong quá trình oxy hóa nhiệt, cho thấy chúng có nguồn gốc từ các cụm carbon như các di-interstitial carbon ((C_Tôi)₂) hoặc cấu trúc vòng phản ứng cacbon ((C₃)_Si). Laplace-DLTS tiết lộ thêm rằng E₀.₃₈ bao gồm hai cấp độ phụ (E_C-0,33eV và E_C-0,39eV), có thể tương ứng với C_Tôitại các vị trí mạng lục giác (h) và giả lập phương (k).

Nghiên cứu cũng phát hiện ra rằng việc phun cacbon ảnh hưởng đến tạp chất boron: việc giảm cường độ boron nông và tâm D có thể liên quan đến sự hình thành phức tạp giữa C_Tôivà boron. Điều này chỉ ra rằng việc phun cacbon không chỉ điều chỉnh các khuyết tật nội tại mà còn tương tác với các chất tạp chất, ảnh hưởng hơn nữa đến các tính chất điện của vật liệu.

Tóm lại, phun carbon đóng vai trò như một phương tiện để điều chỉnh cấu trúc khuyết tật trong 4H-SiC, loại bỏ hiệu quả V2 có hại_Cvà mức độ sâu liên quan đến boron, do đó nâng cao tuổi thọ của chất mang thiểu số, đặc biệt là ở khu vực gần bề mặt. Tuy nhiên, quá trình phun tạo ra nhiều khuyết tật khác nhau liên quan đến carbon (chẳng hạn như E_0.38, ON và T của các mức) với độ ổn định nhiệt và hành vi điện riêng biệt, cho thấy rằng sự di chuyển và kết tụ carbon trong 4H-SiC là các quá trình phức tạp có thể bao gồm các kẽ đơn lẻ, các kẽ di động và các cụm carbon lớn hơn. Công việc trong tương lai nên kết hợp các tính toán lý thuyết và đặc tính thử nghiệm tinh tế hơn để làm rõ cấu hình nguyên tử của những khiếm khuyết này và tác động toàn diện của chúng đến hiệu suất thiết bị.

Cho dù bạn cần wafer SiC để nghiên cứu hay cho các ứng dụng công nghiệp, vui lòng liên hệ với chúng tôi qua email tại[email protected] và [email protected].

Tài liệu tham khảo:

Karsthof, R., Etzelmüller Bathen, M., Kuznetsov, A., & Vines, L. (2022). Sự hình thành các mức độ khuyết tật liên quan đến kẽ cacbon bằng cách phun nhiệt cacbon vào 4H-SiC loại n. Tạp chí Vật lý Ứng dụng, 131(3).
Bathen, ME, Karsthof, R., Galeckas, A., Kumar, P., Kuznetsov, AY, Grossner, U., & Vines, L. (2024). Tác động của việc bơm carbon vào 4H-SiC đến sự hình thành khuyết tật và tuổi thọ của chất mang thiểu số. Khoa học Vật liệu trong Xử lý Chất bán dẫn, 176, 108316.