n-Type 4H-SiC کرسٹل میں برقی مزاحمت کی تقسیم پر مطالعہ

4H-SiC، ایک تیسری نسل کے سیمی کنڈکٹر مواد کے طور پر، اپنے وسیع بینڈ گیپ، اعلی تھرمل چالکتا، اور بہترین کیمیکل اور تھرمل استحکام کے لیے مشہور ہے، جو اسے ہائی پاور اور ہائی فریکوئنسی ایپلی کیشنز میں انتہائی قیمتی بناتا ہے۔ تاہم، ان آلات کی کارکردگی کو متاثر کرنے والا کلیدی عنصر 4H-SiC کرسٹل کے اندر برقی مزاحمتی صلاحیت کی تقسیم میں مضمر ہے، خاص طور پر بڑے سائز کے کرسٹل میں جہاں کرسٹل کی نمو کے دوران یکساں مزاحمت ایک اہم مسئلہ ہے۔ نائٹروجن ڈوپنگ کا استعمال n-type 4H-SiC کی مزاحمتی صلاحیت کو ایڈجسٹ کرنے کے لیے کیا جاتا ہے، لیکن پیچیدہ ریڈیل تھرمل گریڈینٹ اور کرسٹل گروتھ پیٹرن کی وجہ سے، مزاحمتی تقسیم اکثر ناہموار ہو جاتی ہے۔

تجربہ کیسے کیا گیا؟

تجربے میں 150 ملی میٹر قطر کے ساتھ n-type 4H-SiC کرسٹل اگانے کے لیے فزیکل ویپر ٹرانسپورٹ (PVT) طریقہ استعمال کیا گیا۔ نائٹروجن اور آرگون گیسوں کے مرکب تناسب کو ایڈجسٹ کرکے، نائٹروجن ڈوپنگ کے ارتکاز کو کنٹرول کیا گیا۔ مخصوص تجرباتی مراحل میں شامل ہیں:

2100 ° C اور 2300 ° C کے درمیان کرسٹل گروتھ کا درجہ حرارت اور 2 mbar پر گروتھ پریشر کو برقرار رکھنا۔

نائٹروجن گیس کے والیومیٹرک فریکشن کو ابتدائی 9% سے 6% تک اور پھر تجربے کے دوران 9% تک ایڈجسٹ کرنا۔

بڑھے ہوئے کرسٹل کو تقریباً 0.45 ملی میٹر موٹی ویفرز میں کاٹ کر مزاحمتی پیمائش اور رامان سپیکٹروسکوپی تجزیہ کے لیے۔

مزاحمتی تقسیم کو بہتر طور پر سمجھنے کے لیے کرسٹل گروتھ کے دوران تھرمل فیلڈ کی نقل کرنے کے لیے COMSOL سافٹ ویئر کا استعمال۔

تحقیق میں کیا شامل تھا؟

اس مطالعہ میں PVT طریقہ استعمال کرتے ہوئے 150 ملی میٹر قطر کے ساتھ n-type 4H-SiC کرسٹل کو بڑھانا اور ترقی کے مختلف مراحل میں مزاحمتی تقسیم کی پیمائش اور تجزیہ کرنا شامل ہے۔ نتائج سے پتہ چلتا ہے کہ کرسٹل کی مزاحمتی صلاحیت ریڈیل تھرمل گریڈینٹ اور کرسٹل گروتھ میکانزم سے متاثر ہوتی ہے، جو ترقی کے مختلف مراحل میں مختلف خصوصیات کو ظاہر کرتی ہے۔

کرسٹل کی ترقی کے ابتدائی مرحلے کے دوران کیا ہوتا ہے؟

کرسٹل کی ترقی کے ابتدائی مرحلے میں، ریڈیل تھرمل میلان سب سے نمایاں طور پر مزاحمتی تقسیم کو متاثر کرتا ہے۔ کرسٹل کے وسطی علاقے میں مزاحمت کم ہوتی ہے اور بتدریج کناروں کی طرف بڑھ جاتی ہے، بڑے تھرمل گریڈینٹ کی وجہ سے مرکز سے مضافات تک نائٹروجن ڈوپنگ ارتکاز میں کمی واقع ہوتی ہے۔ اس مرحلے کی نائٹروجن ڈوپنگ بنیادی طور پر درجہ حرارت کے میلان سے متاثر ہوتی ہے، جس میں کیریئر کی حراستی کی تقسیم درجہ حرارت کے تغیرات کے لحاظ سے واضح خصوصیات دکھاتی ہے۔ رامن سپیکٹروسکوپی پیمائش نے اس بات کی تصدیق کی کہ کیریئر کا ارتکاز مرکز میں زیادہ اور کناروں پر کم ہے، مزاحمتی تقسیم کے نتائج کے مطابق۔

کرسٹل کی ترقی کے وسط مرحلے میں کیا تبدیلیاں آتی ہیں؟

جیسے جیسے کرسٹل کی ترقی ہوتی ہے، ترقی کے پہلو پھیلتے ہیں، اور ریڈیل تھرمل میلان کم ہوتا جاتا ہے۔ اس مرحلے کے دوران، اگرچہ ریڈیل تھرمل میلان اب بھی مزاحمتی تقسیم کو متاثر کرتا ہے، لیکن کرسٹل کے پہلوؤں پر سرپل نمو کے طریقہ کار کا اثر واضح ہو جاتا ہے۔ غیر جہتی علاقوں کے مقابلے پہلو والے خطوں میں مزاحمت خاص طور پر کم ہے۔ ویفر 23 کے رامن سپیکٹروسکوپی تجزیہ سے پتہ چلتا ہے کہ پہلو والے علاقوں میں کیریئر کا ارتکاز نمایاں طور پر زیادہ ہے، جس سے یہ ظاہر ہوتا ہے کہ سرپل نمو کا طریقہ کار نائٹروجن ڈوپنگ میں اضافے کو فروغ دیتا ہے، جس کے نتیجے میں ان خطوں میں مزاحمت کم ہوتی ہے۔

کرسٹل کی ترقی کے دیر سے مرحلے کی خصوصیات کیا ہیں؟

کرسٹل کی نمو کے بعد کے مراحل میں، پہلوؤں پر سرپل نمو کا طریقہ کار غالب ہو جاتا ہے، جس سے پہلو والے علاقوں میں مزاحمتی صلاحیت میں مزید کمی آتی ہے اور کرسٹل سینٹر کے ساتھ مزاحمتی فرق میں اضافہ ہوتا ہے۔ ویفر 44 کی مزاحمتی تقسیم کے تجزیہ سے یہ بات سامنے آئی کہ پہلو والے علاقوں میں مزاحمت نمایاں طور پر کم ہے، جو ان علاقوں میں زیادہ نائٹروجن ڈوپنگ کے مساوی ہے۔ نتائج نے اشارہ کیا کہ کرسٹل کی موٹائی میں اضافہ کے ساتھ، کیریئر کے ارتکاز پر سرپل نمو کے طریقہ کار کا اثر ریڈیل تھرمل گریڈینٹ سے بڑھ جاتا ہے۔ نائٹروجن ڈوپنگ کا ارتکاز غیر چہروں والے خطوں میں نسبتاً یکساں ہے لیکن پہلو والے علاقوں میں نمایاں طور پر زیادہ ہے، جس سے ظاہر ہوتا ہے کہ پہلو والے علاقوں میں ڈوپنگ کا طریقہ کار کیریئر کے ارتکاز اور ترقی کے آخری مرحلے میں مزاحمتی تقسیم کو کنٹرول کرتا ہے۔

درجہ حرارت گریڈینٹ اور نائٹروجن ڈوپنگ کا تعلق کیسے ہے؟

تجربے کے نتائج نے نائٹروجن ڈوپنگ ارتکاز اور درجہ حرارت کے میلان کے درمیان واضح مثبت تعلق بھی ظاہر کیا۔ ابتدائی مرحلے میں، نائٹروجن ڈوپنگ کا ارتکاز مرکز میں زیادہ اور پہلو والے علاقوں میں کم ہوتا ہے۔ جیسے جیسے کرسٹل بڑھتا ہے، پہلو والے علاقوں میں نائٹروجن ڈوپنگ کا ارتکاز بتدریج بڑھتا جاتا ہے، آخر کار مرکز میں اس سے آگے نکل جاتا ہے، جس سے مزاحمتی فرق پیدا ہوتا ہے۔ نائٹروجن گیس والیومیٹرک فریکشن کو کنٹرول کرکے اس رجحان کو بہتر بنایا جا سکتا ہے۔ عددی نقلی تجزیے سے یہ بات سامنے آئی کہ ریڈیل تھرمل گریڈینٹ میں کمی زیادہ یکساں نائٹروجن ڈوپنگ ارتکاز کی طرف لے جاتی ہے، خاص طور پر بعد کے نمو کے مراحل میں واضح۔ تجربے نے درجہ حرارت کے ایک اہم میلان (ΔT) کی نشاندہی کی جس کے نیچے مزاحمتی تقسیم یکساں ہو جاتی ہے۔

نائٹروجن ڈوپنگ کا طریقہ کار کیا ہے؟

نائٹروجن ڈوپنگ کا ارتکاز نہ صرف درجہ حرارت اور ریڈیل تھرمل گریڈینٹ بلکہ C/Si تناسب، نائٹروجن گیس والیومیٹرک فریکشن، اور شرح نمو سے بھی متاثر ہوتا ہے۔ غیر جہتی علاقوں میں، نائٹروجن ڈوپنگ بنیادی طور پر درجہ حرارت اور C/Si تناسب سے کنٹرول ہوتی ہے، جبکہ پہلو والے علاقوں میں، نائٹروجن گیس والیومیٹرک فریکشن زیادہ اہم کردار ادا کرتا ہے۔ مطالعہ سے پتہ چلتا ہے کہ پہلو والے علاقوں میں نائٹروجن گیس والیومیٹرک فریکشن کو ایڈجسٹ کرنے سے، مزاحمت کو مؤثر طریقے سے کم کیا جا سکتا ہے، اعلی کیریئر حراستی کو حاصل کرنا۔

شکل 1(a) کرسٹل کی ترقی کے مختلف مراحل کی نمائندگی کرتے ہوئے منتخب ویفرز کی پوزیشنوں کو ظاہر کرتا ہے۔ ویفر نمبر 1 ابتدائی مرحلے، نمبر 23 وسط مرحلے، اور نمبر 44 آخری مرحلے کی نمائندگی کرتا ہے۔ ان ویفرز کا تجزیہ کرکے، محققین ترقی کے مختلف مراحل میں مزاحمتی تقسیم کی تبدیلیوں کا موازنہ کر سکتے ہیں۔

اعداد و شمار 1(b)، 1©، اور 1(d) بالترتیب ویفرز نمبر 1، نمبر 23، اور نمبر 44 کے مزاحمتی تقسیم کے نقشے دکھاتے ہیں، جہاں رنگ کی شدت مزاحمتی سطح کی نشاندہی کرتی ہے، جس میں گہرے علاقے نچلے پہلوؤں کی نمائندگی کرتے ہیں۔ مزاحمت

ویفر نمبر 1: نمو کے پہلو چھوٹے ہوتے ہیں اور ویفر کے کنارے پر واقع ہوتے ہیں، مجموعی طور پر اعلیٰ مزاحمتی صلاحیت جو مرکز سے کنارے تک بڑھتی ہے۔

ویفر نمبر 23: پہلو پھیل گئے ہیں اور ویفر سینٹر کے قریب ہیں، پہلو والے علاقوں میں نمایاں طور پر کم مزاحمتی اور غیر جہتی علاقوں میں زیادہ مزاحمتی صلاحیت کے ساتھ۔

ویفر نمبر 44: پہلوؤں کا پھیلنا جاری ہے اور ویفر سینٹر کی طرف بڑھتا ہے، پہلو والے علاقوں میں مزاحمتی صلاحیت دیگر علاقوں کی نسبت واضح طور پر کم ہے۔

شکل 2(a) وقت کے ساتھ کرسٹل قطر کی سمت ([1120] سمت) کے ساتھ ترقی کے پہلوؤں کی چوڑائی کی تبدیلی کو ظاہر کرتی ہے۔ پہلو ترقی کے ابتدائی مرحلے میں تنگ علاقوں سے بعد کے مرحلے میں وسیع علاقوں تک پھیل جاتے ہیں۔

اعداد و شمار 2(b)، 2©، اور 2(d) بالترتیب ویفرز نمبر 1، نمبر 23، اور نمبر 44 کے قطر کی سمت کے ساتھ مزاحمتی تقسیم کو ظاہر کرتے ہیں۔

ویفر نمبر 1: نمو کے پہلوؤں کا اثر کم سے کم ہے، جس میں مزاحمتی صلاحیت بتدریج مرکز سے کنارے تک بڑھ رہی ہے۔

Wafer No.23: پہلوؤں میں مزاحمتی صلاحیت نمایاں طور پر کم ہوتی ہے، جب کہ غیر جہتی علاقے زیادہ مزاحمتی سطح کو برقرار رکھتے ہیں۔

ویفر نمبر 44: پہلو والے علاقوں میں باقی ویفر کے مقابلے میں نمایاں طور پر کم مزاحمتی صلاحیت ہوتی ہے، مزاحمت پر پہلوؤں کا اثر زیادہ واضح ہوتا جا رہا ہے۔

اعداد و شمار 3(a)، 3(b)، اور 3© بالترتیب LOPC موڈ کی رمن شفٹوں کو ظاہر کرتے ہیں جو ویفرز نمبر 1، نمبر 23، اور نمبر 44 پر مختلف پوزیشنوں (A, B, C, D) پر ماپا جاتا ہے۔ ، کیریئر کی حراستی میں تبدیلیوں کی عکاسی کرتا ہے۔

ویفر نمبر 1: رامان کی شفٹ مرکز (پوائنٹ A) سے کنارے (پوائنٹ C) کی طرف بتدریج کم ہوتی ہے، جو مرکز سے کنارے تک نائٹروجن ڈوپنگ کے ارتکاز میں کمی کی نشاندہی کرتی ہے۔ پوائنٹ ڈی (فیسیٹ ریجن) میں کوئی خاص رمن شفٹ تبدیلی نہیں دیکھی گئی۔

Wafers No.23 اور No.44: Raman شفٹ پہلو والے علاقوں (پوائنٹ D) میں زیادہ ہے، جو کہ زیادہ نائٹروجن ڈوپنگ ارتکاز کو ظاہر کرتا ہے، جو کم مزاحمتی پیمائش کے مطابق ہے۔

شکل 4(a) ویفرز کی مختلف ریڈیل پوزیشنوں پر کیریئر کے ارتکاز اور ریڈیل درجہ حرارت کے میلان میں فرق کو ظاہر کرتا ہے۔ یہ اشارہ کرتا ہے کہ کیریئر کا ارتکاز مرکز سے کنارے تک کم ہوتا ہے، جبکہ درجہ حرارت کا میلان ابتدائی ترقی کے مرحلے میں بڑا ہوتا ہے اور بعد میں کم ہوتا ہے۔

شکل 4(b) درجہ حرارت کے میلان (ΔT) کے ساتھ پہلو مرکز اور ویفر سینٹر کے درمیان کیریئر کے ارتکاز میں فرق میں تبدیلی کو واضح کرتا ہے۔ ابتدائی نشوونما کے مرحلے میں (وفر نمبر 1)، کیریئر کا ارتکاز ویفر سینٹر میں پہلو کے مرکز سے زیادہ ہوتا ہے۔ جیسے جیسے کرسٹل بڑھتا ہے، پہلو والے خطوں میں نائٹروجن ڈوپنگ کا ارتکاز بتدریج اس سے آگے نکل جاتا ہے، Δn منفی سے مثبت میں تبدیل ہونے کے ساتھ، پہلوؤں کی نشوونما کے میکانزم کے بڑھتے ہوئے غلبے کی نشاندہی کرتا ہے۔

شکل 5 وقت کے ساتھ ساتھ ویفر سینٹر اور پہلو مرکز میں مزاحمتی تبدیلی کو ظاہر کرتی ہے۔ جیسے جیسے کرسٹل بڑھتا ہے، ویفر سینٹر میں مزاحمتی صلاحیت 15.5 mΩ·cm سے 23.7 mΩ·cm تک بڑھ جاتی ہے، جب کہ پہلو کے مرکز میں مزاحمتی صلاحیت شروع میں 22.1 mΩ·cm تک بڑھ جاتی ہے اور پھر گھٹ کر 19.5 mΩ·cm ہو جاتی ہے۔ پہلو والے علاقوں میں مزاحمت میں کمی نائٹروجن گیس والیومیٹرک فریکشن میں ہونے والی تبدیلیوں کے ساتھ تعلق رکھتی ہے، جو نائٹروجن ڈوپنگ ارتکاز اور مزاحمتی صلاحیت کے درمیان منفی تعلق کی نشاندہی کرتی ہے۔

نتائج

مطالعہ کے کلیدی نتائج یہ ہیں کہ ریڈیل تھرمل گریڈینٹ اور کرسٹل پہلو کی نمو نمایاں طور پر 4H-SiC کرسٹل میں مزاحمتی تقسیم کو متاثر کرتی ہے۔

کرسٹل کی نشوونما کے ابتدائی مرحلے میں، ریڈیل تھرمل میلان کرسٹل سینٹر میں کم مزاحمتی اور کناروں پر زیادہ ہونے کے ساتھ کیریئر کے ارتکاز کی تقسیم کا تعین کرتا ہے۔

جیسے جیسے کرسٹل بڑھتا ہے، نائٹروجن ڈوپنگ کا ارتکاز پہلو والے علاقوں میں بڑھتا ہے، مزاحمتی صلاحیت کو کم کرتا ہے، پہلو والے علاقوں اور کرسٹل سینٹر کے درمیان مزاحمتی فرق زیادہ واضح ہوتا جاتا ہے۔

ایک اہم درجہ حرارت کے میلان کی نشاندہی کی گئی تھی، جس میں مزاحمتی تقسیم کے کنٹرول کی ریڈیل تھرمل گریڈینٹ سے پہلو کی نشوونما کے طریقہ کار میں منتقلی کو نشان زد کیا گیا تھا۔**

اصل ماخذ: Xie, X., Kong, Y., Xu, L., Yang, D., & Pi, X. (2024)۔ این قسم کے 4H-SiC کرسٹل کی برقی مزاحمت کی تقسیم۔ جرنل آف کرسٹل گروتھ۔ https://doi.org/10.1016/j.jcrysgro.2024.127892