Kajian Distribusi Resistivitas Listrik pada Kristal 4H-SiC Tipe-n

4H-SiC, sebagai bahan semikonduktor generasi ketiga, terkenal dengan celah pitanya yang lebar, konduktivitas termal yang tinggi, serta stabilitas kimia dan termal yang sangat baik, menjadikannya sangat berharga dalam aplikasi daya tinggi dan frekuensi tinggi. Namun, faktor kunci yang mempengaruhi kinerja perangkat ini terletak pada distribusi resistivitas listrik dalam kristal 4H-SiC, terutama pada kristal berukuran besar di mana resistivitas seragam merupakan masalah mendesak selama pertumbuhan kristal. Doping nitrogen digunakan untuk mengatur resistivitas tipe-n 4H-SiC, namun karena gradien termal radial yang kompleks dan pola pertumbuhan kristal, distribusi resistivitas seringkali menjadi tidak merata.

Bagaimana Percobaan Dilakukan?

Percobaan ini menggunakan metode Physical Vapour Transport (PVT) untuk menumbuhkan kristal 4H-SiC tipe-n dengan diameter 150 mm. Dengan menyesuaikan rasio campuran gas nitrogen dan argon, konsentrasi doping nitrogen dapat dikontrol. Langkah-langkah eksperimental spesifik meliputi:

Mempertahankan suhu pertumbuhan kristal antara 2100°C dan 2300°C dan tekanan pertumbuhan pada 2 mbar.

Menyesuaikan fraksi volumetrik gas nitrogen dari awal 9% turun menjadi 6% dan kemudian kembali naik menjadi 9% selama percobaan.

Memotong kristal yang tumbuh menjadi wafer setebal sekitar 0,45 mm untuk pengukuran resistivitas dan analisis spektroskopi Raman.

Menggunakan perangkat lunak COMSOL untuk mensimulasikan medan termal selama pertumbuhan kristal untuk lebih memahami distribusi resistivitas.

Apa yang Terlibat dalam Penelitian?

Penelitian ini melibatkan pertumbuhan kristal 4H-SiC tipe-n dengan diameter 150 mm menggunakan metode PVT dan mengukur serta menganalisis distribusi resistivitas pada berbagai tahap pertumbuhan. Hasil penelitian menunjukkan bahwa resistivitas kristal dipengaruhi oleh gradien termal radial dan mekanisme pertumbuhan kristal, yang menunjukkan karakteristik berbeda pada tahap pertumbuhan berbeda.

Apa Yang Terjadi Pada Tahap Awal Pertumbuhan Kristal?

Pada fase awal pertumbuhan kristal, gradien termal radial paling signifikan mempengaruhi distribusi resistivitas. Resistivitas lebih rendah di wilayah tengah kristal dan secara bertahap meningkat ke arah tepi, karena gradien termal yang lebih besar menyebabkan penurunan konsentrasi doping nitrogen dari pusat ke pinggiran. Doping nitrogen tahap ini terutama dipengaruhi oleh gradien suhu, dengan distribusi konsentrasi pembawa menunjukkan karakteristik yang jelas tergantung pada variasi suhu. Pengukuran spektroskopi Raman memastikan bahwa konsentrasi pembawa lebih tinggi di bagian tengah dan lebih rendah di bagian tepi, sesuai dengan hasil distribusi resistivitas.

Perubahan Apa yang Terjadi pada Tahap Pertengahan Pertumbuhan Kristal?

Ketika pertumbuhan kristal berlangsung, aspek pertumbuhan meluas, dan gradien termal radial menurun. Selama tahap ini, meskipun gradien termal radial masih mempengaruhi distribusi resistivitas, pengaruh mekanisme pertumbuhan spiral pada permukaan kristal menjadi jelas. Resistivitas pada daerah facet lebih rendah dibandingkan dengan daerah non-facet. Analisis spektroskopi Raman pada wafer 23 menunjukkan bahwa konsentrasi pembawa secara signifikan lebih tinggi di daerah faset, menunjukkan bahwa mekanisme pertumbuhan spiral mendorong peningkatan doping nitrogen, sehingga menurunkan resistivitas di daerah ini.

Apa Karakteristik Tahap Akhir Pertumbuhan Kristal?

Pada tahap pertumbuhan kristal selanjutnya, mekanisme pertumbuhan spiral pada sisi menjadi dominan, yang selanjutnya mengurangi resistivitas di daerah faset dan meningkatkan perbedaan resistivitas dengan pusat kristal. Analisis distribusi resistivitas wafer 44 mengungkapkan bahwa resistivitas di wilayah faset jauh lebih rendah, sejalan dengan doping nitrogen yang lebih tinggi di wilayah tersebut. Hasilnya menunjukkan bahwa dengan meningkatnya ketebalan kristal, pengaruh mekanisme pertumbuhan spiral pada konsentrasi pembawa melampaui gradien termal radial. Konsentrasi doping nitrogen relatif seragam di daerah non-segi tetapi jauh lebih tinggi di daerah segi, menunjukkan bahwa mekanisme doping di daerah segi mengatur konsentrasi pembawa dan distribusi resistivitas pada tahap pertumbuhan akhir.

Bagaimana Hubungan Gradien Suhu dan Doping Nitrogen?

Hasil percobaan juga menunjukkan korelasi positif yang jelas antara konsentrasi doping nitrogen dan gradien suhu. Pada tahap awal, konsentrasi doping nitrogen lebih tinggi di bagian tengah dan lebih rendah di daerah segi. Ketika kristal tumbuh, konsentrasi doping nitrogen di daerah segi secara bertahap meningkat, akhirnya melampaui konsentrasi di tengah, yang menyebabkan perbedaan resistivitas. Fenomena ini dapat dioptimalkan dengan mengendalikan fraksi volumetrik gas nitrogen. Analisis simulasi numerik mengungkapkan bahwa pengurangan gradien termal radial menyebabkan konsentrasi doping nitrogen lebih seragam, terutama terlihat pada tahap pertumbuhan selanjutnya. Eksperimen tersebut mengidentifikasi gradien suhu kritis (ΔT) yang di bawahnya distribusi resistivitas cenderung seragam.

Bagaimana Mekanisme Doping Nitrogen?

Konsentrasi doping nitrogen dipengaruhi tidak hanya oleh suhu dan gradien termal radial tetapi juga oleh rasio C/Si, fraksi volumetrik gas nitrogen, dan laju pertumbuhan. Di wilayah non-segi, doping nitrogen terutama dikendalikan oleh suhu dan rasio C/Si, sedangkan di wilayah faset, fraksi volumetrik gas nitrogen memainkan peran yang lebih penting. Studi tersebut menunjukkan bahwa dengan menyesuaikan fraksi volumetrik gas nitrogen di daerah faset, resistivitas dapat dikurangi secara efektif, sehingga mencapai konsentrasi pembawa yang lebih tinggi.

Gambar 1(a) menggambarkan posisi wafer yang dipilih, mewakili berbagai tahap pertumbuhan kristal. Wafer No.1 mewakili tahap awal, No.23 tahap tengah, dan No.44 tahap akhir. Dengan menganalisis wafer ini, peneliti dapat membandingkan perubahan distribusi resistivitas pada tahap pertumbuhan yang berbeda.

Gambar 1(b), 1©, dan 1(d) masing-masing menunjukkan peta distribusi resistivitas wafer No.1, No.23, dan No.44, di mana intensitas warna menunjukkan tingkat resistivitas, dengan daerah yang lebih gelap mewakili posisi faset dengan lebih rendah resistivitas.

Wafer No.1: Sisi pertumbuhannya kecil dan terletak di tepi wafer, dengan resistivitas tinggi secara keseluruhan yang meningkat dari pusat ke tepi.

Wafer No.23: Facet telah meluas dan lebih dekat ke pusat wafer, dengan resistivitas yang jauh lebih rendah di wilayah facet dan resistivitas yang lebih tinggi di wilayah non-facet.

Wafer No.44: Facet terus meluas dan bergerak menuju pusat wafer, dengan resistivitas di wilayah facet jauh lebih rendah dibandingkan area lainnya.

Gambar 2(a) menunjukkan variasi lebar sisi pertumbuhan sepanjang arah diameter kristal (arah [1120]) dari waktu ke waktu. Aspek-aspek tersebut berkembang dari wilayah yang lebih sempit pada tahap awal pertumbuhan ke wilayah yang lebih luas pada tahap selanjutnya.

Gambar 2(b), 2©, dan 2(d) menampilkan distribusi resistivitas sepanjang arah diameter untuk masing-masing wafer No.1, No.23, dan No.44.

Wafer No.1: Pengaruh aspek pertumbuhan minimal, dengan resistivitas meningkat secara bertahap dari pusat ke tepi.

Wafer No.23: Daerah segi secara signifikan menurunkan resistivitas, sedangkan daerah non-segi mempertahankan tingkat resistivitas yang lebih tinggi.

Wafer No.44: Daerah faset memiliki resistivitas yang jauh lebih rendah dibandingkan wafer lainnya, dengan efek faset pada resistivitas menjadi lebih jelas.

Gambar 3(a), 3(b), dan 3© masing-masing menunjukkan pergeseran Raman mode LOPC yang diukur pada posisi berbeda (A, B, C, D) pada wafer No.1, No.23, dan No.44 , mencerminkan perubahan konsentrasi pembawa.

Wafer No.1: Pergeseran Raman menurun secara bertahap dari pusat (Titik A) ke tepi (Titik C), menunjukkan penurunan konsentrasi doping nitrogen dari pusat ke tepi. Tidak ada perubahan pergeseran Raman yang signifikan yang diamati di Titik D (wilayah segi).

Wafer No.23 dan No.44: Pergeseran Raman lebih tinggi di daerah faset (Titik D), menunjukkan konsentrasi doping nitrogen yang lebih tinggi, konsisten dengan pengukuran resistivitas yang rendah.

Gambar 4(a) menunjukkan variasi konsentrasi pembawa dan gradien suhu radial pada posisi radial wafer yang berbeda. Hal ini menunjukkan bahwa konsentrasi pembawa menurun dari pusat ke tepi, sedangkan gradien suhu lebih besar pada tahap awal pertumbuhan dan menurun setelahnya.

Gambar 4(b) mengilustrasikan perubahan perbedaan konsentrasi pembawa antara pusat faset dan pusat wafer dengan gradien suhu (ΔT). Pada tahap awal pertumbuhan (Wafer No.1), konsentrasi pembawa lebih tinggi di pusat wafer dibandingkan di pusat faset. Ketika kristal tumbuh, konsentrasi doping nitrogen di daerah faset secara bertahap melampaui konsentrasi di tengah, dengan Δn berubah dari negatif ke positif, menunjukkan semakin dominannya mekanisme pertumbuhan faset.

Gambar 5 menunjukkan perubahan resistivitas di pusat wafer dan pusat segi seiring waktu. Ketika kristal tumbuh, resistivitas pada pusat wafer meningkat dari 15,5 mΩ·cm menjadi 23,7 mΩ·cm, sedangkan resistivitas pada pusat segi awalnya meningkat menjadi 22,1 mΩ·cm dan kemudian menurun menjadi 19,5 mΩ·cm. Penurunan resistivitas di daerah faset berkorelasi dengan perubahan fraksi volumetrik gas nitrogen, yang menunjukkan korelasi negatif antara konsentrasi doping nitrogen dan resistivitas.

Kesimpulan

Kesimpulan utama dari penelitian ini adalah bahwa gradien termal radial dan pertumbuhan sisi kristal berdampak signifikan terhadap distribusi resistivitas dalam kristal 4H-SiC:

Pada tahap awal pertumbuhan kristal, gradien termal radial menentukan distribusi konsentrasi pembawa, dengan resistivitas lebih rendah di pusat kristal dan lebih tinggi di tepinya.

Ketika kristal tumbuh, konsentrasi doping nitrogen meningkat di daerah segi, menurunkan resistivitas, dan perbedaan resistivitas antara daerah segi dan pusat kristal menjadi lebih jelas.

Gradien suhu kritis teridentifikasi, menandai transisi kontrol distribusi resistivitas dari gradien termal radial ke mekanisme pertumbuhan faset.**

Sumber Asli: Xie, X., Kong, Y., Xu, L., Yang, D., & Pi, X. (2024). Distribusi resistivitas listrik kristal 4H-SiC tipe-n. Jurnal Pertumbuhan Kristal. https://doi.org/10.1016/j.jcrysgro.2024.127892