An Staidéar ar Dháileadh Friotaíocht Leictreach i gCriostail n-Cineál 4H-SiC

Tá 4H-SiC, mar ábhar leathsheoltóra tríú glúin, clúiteach as a bhearna leathan, seoltacht ard teirmeach, agus cobhsaíocht cheimiceach agus theirmeach den scoth, rud a fhágann go bhfuil sé an-luachmhar in iarratais ard-chumhachta agus ard-minicíochta. Mar sin féin, is é an príomhfhachtóir a dhéanann difear d'fheidhmíocht na ngléasanna seo ná dáileadh friotachas leictreach laistigh den chriostail 4H-SiC, go háirithe i gcriostal mórmhéide ina bhfuil friotachas aonfhoirmeach ina cheist phráinneach le linn fás criostail. Úsáidtear dópáil nítrigine chun friotachas n-cineál 4H-SiC a choigeartú, ach mar gheall ar an grádán teirmeach casta gathacha agus patrúin fáis criostail, is minic a bhíonn an dáileadh friotachais míchothrom.

Conas a Rinneadh an Turgnamh?

Bhain an turgnamh úsáid as an modh Iompar Gaile Fisiciúil (PVT) chun criostail n-cineál 4H-SiC a fhás le trastomhas 150 mm. Trí an cóimheas meascáin de gháis nítrigine agus argóin a choigeartú, rialaíodh tiúchan na dópála nítrigine. Áiríodh leis na céimeanna sonracha turgnamhacha:

An teocht fáis criostail a choinneáil idir 2100°C agus 2300°C agus an brú fáis ag 2 mbar.

An codán toirtmhéadrach den ghás nítrigine a choigeartú ó 9% tosaigh síos go 6% agus ansin siar go dtí 9% le linn an turgnaimh.

An criostail fhásta a ghearradh ina sliseog thart ar 0.45 mm ar tiús chun friotachas a thomhas agus chun anailís a dhéanamh ar speictreascópacht Raman.

Ag baint úsáide as bogearraí COMSOL chun an réimse teirmeach a insamhail le linn fás criostail chun an dáileadh friotachais a thuiscint níos fearr.

Cad a bhí i gceist leis an Taighde?

Bhain an staidéar seo le criostail n-cineál 4H-SiC a fhás le trastomhas 150 mm ag baint úsáide as an modh PVT agus an dáileadh friotachais a thomhas agus a anailísiú ag céimeanna éagsúla fáis. Léirigh na torthaí go bhfuil tionchar ag an grádán gathacha teirmeach agus an mheicníocht fáis criostail ar fhriotaíocht na criostail, rud a léiríonn tréithe éagsúla ag céimeanna fáis éagsúla.

Cad a Tharlaíonn Le linn na Luathchéime d'Fhás Criostail?

Sa chéim tosaigh d'fhás criostail, is é an grádán teirmeach gathacha is mó a théann i bhfeidhm ar an dáileadh friotachais. Tá an friotachas níos ísle i réigiún lárnach an chriostail agus méadaíonn sé de réir a chéile i dtreo na n-imill, mar gheall ar ghrádán teirmeach níos mó is cúis le laghdú ar thiúchan dópála nítrigine ón lár go dtí an imeall. Bíonn tionchar ag an ngrádán teochta ar dhópáil nítrigine na céime seo go príomha, agus léiríonn dáileadh tiúchana iompróra tréithe soiléire ag brath ar éagsúlachtaí teochta. Dheimhnigh tomhais speictreascópachta Raman go bhfuil an tiúchan iompróra níos airde ag an ionad agus níos ísle ag na himill, a fhreagraíonn do thorthaí dáileadh friotachais.

Cad iad na hAthruithe a Tharlaíonn i Lár Chéim an Fháis Chriostal?

De réir mar a théann fás criostail ar aghaidh, leathnaíonn na gnéithe fáis, agus laghdaítear an grádán teirmeach gathacha. Le linn na céime seo, cé go bhfuil tionchar ag an grádán gathacha teirmeach fós ar dháileadh friotachas, éiríonn tionchar na meicníochta fáis bíseach ar na gnéithe criostail. Tá an friotachas go suntasach níos ísle sna réigiúin aghaidhe i gcomparáid leis na réigiúin neamhghnéitheacha. Léirigh anailís speictreascópachta Raman ar wafer 23 go bhfuil an tiúchan iompróra i bhfad níos airde sna réigiúin facet, rud a léiríonn go gcuireann meicníocht fáis bíseach dópáil nítrigine méadaithe chun cinn, rud a fhágann go bhfuil friotachas níos ísle sna réigiúin seo.

Cad iad na Tréithe a bhaineann le Céim Dhéanach an Fháis Chriostal?

Sna céimeanna níos déanaí d'fhás criostail, éiríonn an meicníocht fáis bíseach ar na gnéithe ceannasach, ag laghdú tuilleadh an fhriotaíochta sna réigiúin facet agus ag méadú an difríocht friotachais leis an ionad criostail. Léirigh anailís ar dháileadh friotachas wafer 44 go bhfuil an fhriotaíocht sna réigiúin gné i bhfad níos ísle, ag freagairt do dhópáil nítrigine níos airde sna réimsí seo. Léirigh na torthaí, le méadú ar thiús criostail, go sáraíonn tionchar na meicníochta fáis bíseach ar thiúchan an iompróra ná an grádán gathacha teirmeach. Tá an tiúchan dópála nítrigine sách aonfhoirmeach sna réigiúin neamhghnéitheacha ach i bhfad níos airde sna réigiúin facet, rud a thugann le fios go rialaíonn an mheicníocht dópála i réigiúin facet tiúchan iompróra agus dáileadh friotachais sa chéim dheireanach fáis.

Cén bhaint atá ag Grádán Teochta agus Dhópála Nítrigine?

Léirigh torthaí an turgnaimh freisin comhghaol dearfach soiléir idir an tiúchan dópála nítrigine agus an grádán teochta. Go luath, tá an tiúchan dópála nítrigine níos airde sa lár agus níos ísle sna réigiúin facet. De réir mar a fhásann an criostail, méadaíonn an tiúchan dópála nítrigine sna réigiúin gné de réir a chéile, ag dul thar an lárionad sa deireadh, rud a fhágann go bhfuil na difríochtaí friotachais ann. Is féidir an feiniméan seo a bharrfheabhsú trí chodán toirtmhéadrach gáis nítrigine a rialú. Léirigh anailís ionsamhlúcháin uimhriúil go bhfuil tiúchan dópála nítrigine níos aonfhoirmí mar thoradh ar an laghdú ar ghrádán gathacha teirmeach, go háirithe le feiceáil sna céimeanna fáis níos déanaí. D'aithin an turgnamh grádán teochta criticiúla (ΔT) a mbíonn claonadh ag an dáileadh friotachais a bheith aonfhoirmeach faoina bhun.

Cad é Meicníocht Dhópála Nítrigine?

Ní hamháin go mbíonn tionchar ag teocht agus grádán gathacha teirmeach ar thiúchan dópála nítrigine ach freisin ag an gcóimheas C/Si, codán toirtmhéadrach gáis nítrigine, agus ráta fáis. I réigiúin neamhghnéitheacha, tá dópáil nítrigine á rialú go príomha ag teocht agus cóimheas C/Si, agus i réigiúin ghnéis, tá ról níos tábhachtaí ag an gcodán toirtmhéadrach gáis nítrigine. Léirigh an staidéar, trí chodán toirtmhéadrach gáis nítrigine a choigeartú sna réigiúin facet, gur féidir friotachas a laghdú go héifeachtach, ag baint amach tiúchan iompróra níos airde.

Léiríonn Fíor 1(a) suímh na sliseog roghnaithe, ag léiriú céimeanna fáis éagsúla na criostail. Léiríonn Wafer Uimh.1 an chéim luath, Uimh.23 an chéim lár, agus Uimh.44 an chéim dhéanach. Trí anailís a dhéanamh ar na sliseoga seo, is féidir le taighdeoirí comparáid a dhéanamh idir na hathruithe dáileacháin friotachais ag céimeanna éagsúla fáis.

Léiríonn Fíoracha 1(b), 1©, agus 1(d) faoi seach léarscáileanna dáilte friotachais na sliseog Uimh. 1, Uimh.23, agus Uimh.44, mar a léiríonn déine datha leibhéil friotachais, le réigiúin níos dorcha ag léiriú suíomhanna gné le hísle friotachas.

Wafer Uimh.1: Tá na gnéithe fáis beag agus suite ar imeall an wafer, le friotachas iomlán ard a ardaíonn ón lár go dtí an imeall.

Wafer Uimh.23: Tá na gnéithe leathnaithe agus tá siad níos gaire don lárionad wafer, le friotachas i bhfad níos ísle sna réigiúin facet agus friotachas níos airde sna réigiúin neamhghnéitheacha.

Wafer Uimh.44: Leanann na gnéithe ar aghaidh ag leathnú agus ag bogadh i dtreo an lárionad sliseog, agus tá friotachas sna réigiúin ghné go suntasach níos ísle ná i réimsí eile.

Taispeánann Figiúr 2(a) an t-athrú leithead ar na gnéithe fáis feadh na treorach trastomhais criostail ([1120] treo) le himeacht ama. Leathnaíonn na gnéithe ó réigiúin níos cúinge sa chéim luath fáis go dtí ceantair níos leithne níos déanaí.

Taispeánann Fíoracha 2(b), 2©, agus 2(d) an dáileadh friotachais feadh na treo trastomhais do sliseog Uimh.1, Uimh.23, agus Uimh.44, faoi seach.

Wafer Uimh.1: Is beag tionchar na ngnéithe fáis, le friotachas ag méadú de réir a chéile ó lár go imeall.

Wafer Uimh.23: Laghdaíonn na gnéithe an friotachas go suntasach, agus coimeádann na réigiúin neamhghnéitheacha leibhéil friotachais níos airde.

Wafer Uimh.44: Tá friotachas i bhfad níos ísle ag na réigiúin ghnéis ná an chuid eile den wafer, agus tá an éifeacht gné ar fhriotaíocht ag éirí níos suntasaí.

Taispeánann Fíoracha 3(a), 3(b), agus 3© faoi seach na haistrithe Raman den mhodh LOPC arna thomhas ag suíomhanna difriúla (A, B, C, D) ar sliseog Uimh.1, Uimh.23, agus Uimh.44 , rud a léiríonn athruithe ar thiúchan iompróra.

Wafer Uimh.1: Laghdaíonn an t-aistriú Raman de réir a chéile ón lár (Pointe A) go dtí an imeall (Pointe C), rud a léiríonn laghdú ar thiúchan dópála nítrigine ó lár go imeall. Ní thugtar aon athrú suntasach ar athrú Raman faoi deara ag Pointe D (réigiún gné).

Sliseanna Uimh.23 agus Uimh.44: Tá an t-aistriú Raman níos airde sna réigiúin gné (Pointe D), rud a léiríonn tiúchan dópála nítrigine níos airde, comhsheasmhach leis na tomhais íseal friotachais.

Léiríonn Fíor 4(a) an t-athrú ar thiúchan an iompróra agus ar ghrádán na teochta gathaí ag suíomhanna éagsúla gathacha na sliseog. Léiríonn sé go laghdaítear tiúchan iompróra ó lár go imeall, cé go bhfuil an grádán teochta níos mó sa chéim luathfhás agus laghdaítear ina dhiaidh sin.

Léiríonn Fíor 4(b) an t-athrú ar an difríocht i dtiúchan an iompróra idir an lárionad gné agus lárionad sliseog leis an ngrádán teochta (ΔT). Sa chéim luathfhás (Wafer Uimh.1), tá an tiúchan iompróra níos airde ag an ionad wafer ná ag an ionad facet. De réir mar a fhásann an criostail, sáraíonn an tiúchan dópála nítrigine sna réigiúin facet de réir a chéile é sin sa lár, agus Δn ag athrú ó dhiúltach go dearfach, rud a léiríonn an ceannas atá ag fás ar an meicníocht fáis gné.

Taispeánann Figiúr 5 an t-athrú ar fhriotaíocht ag an lárionad sliseog agus lár an ghné le himeacht ama. De réir mar a fhásann an criostail, méadaíonn an fhriotaíocht ag an lárionad sliseog ó 15.5 mΩ·cm go 23.7 mΩ·cm, agus méadaíonn an fhriotacht ag lár an ghnéis go 22.1 mΩ·cm ar dtús agus laghdaítear ansin go 19.5 mΩ·cm. Tá comhghaol idir an meath ar fhriotaíocht sna réigiúin ghnéis agus athruithe ar chodán toirtmhéadrach gáis nítrigine, rud a léiríonn comhghaol diúltach idir tiúchan dópála nítrigine agus friotachas.

Conclúidí

Is iad príomhchonclúidí an staidéir ná go mbíonn tionchar suntasach ag grádán gathacha teirmeach agus fás gné criostail ar dháileadh friotachas i gcriostal 4H-SiC:

Sa chéim luath d'fhás criostail, cinneann an grádán teirmeach gathacha an dáileadh tiúchan iompróra, le friotachas níos ísle ag an ionad criostail agus níos airde ag na himill.

De réir mar a fhásann an criostail, méadaíonn an tiúchan dópála nítrigine sna réigiúin facet, ag ísliú friotachas, agus an difríocht friotachais idir réigiúin aghaidh agus lárionad criostail ag éirí níos soiléire.

Aithníodh grádán teochta criticiúil, a mharcáil an t-aistriú ar rialú dáilte friotachais ón ngrádán gathach teirmeach go dtí an mheicníocht fáis gné.**

Foinse Bunaidh: Xie, X., Cong, Y., Xu, L., Yang, D., & Pi, X. (2024). Dáileadh friotachas leictreach criostail n-cineál 4H-SiC. Iris Fás Criostail. https://doi.org/10.1016/j.jcrysgro.2024.127892