এন-টাইপ 4H-SiC স্ফটিকগুলিতে বৈদ্যুতিক প্রতিরোধকতার বিতরণের উপর অধ্যয়ন

4H-SiC, একটি তৃতীয়-প্রজন্মের অর্ধপরিবাহী উপাদান হিসাবে, এর প্রশস্ত ব্যান্ডগ্যাপ, উচ্চ তাপ পরিবাহিতা এবং চমৎকার রাসায়নিক এবং তাপীয় স্থিতিশীলতার জন্য বিখ্যাত, এটি উচ্চ-শক্তি এবং উচ্চ-ফ্রিকোয়েন্সি অ্যাপ্লিকেশনগুলিতে অত্যন্ত মূল্যবান করে তুলেছে। যাইহোক, এই ডিভাইসগুলির কর্মক্ষমতা প্রভাবিত করার মূল কারণটি 4H-SiC ক্রিস্টালের মধ্যে বৈদ্যুতিক প্রতিরোধের বন্টনের মধ্যে রয়েছে, বিশেষত বড় আকারের স্ফটিকগুলিতে যেখানে ক্রিস্টাল বৃদ্ধির সময় অভিন্ন প্রতিরোধ ক্ষমতা একটি চাপের সমস্যা। নাইট্রোজেন ডোপিং n-টাইপ 4H-SiC এর প্রতিরোধ ক্ষমতা সামঞ্জস্য করতে ব্যবহৃত হয়, কিন্তু জটিল রেডিয়াল তাপীয় গ্রেডিয়েন্ট এবং স্ফটিক বৃদ্ধির ধরণগুলির কারণে, প্রতিরোধ ক্ষমতা বন্টন প্রায়শই অসম হয়ে যায়।

কিভাবে পরীক্ষা পরিচালিত হয়েছিল?

পরীক্ষাটি 150 মিমি ব্যাস সহ n-টাইপ 4H-SiC স্ফটিক বৃদ্ধির জন্য শারীরিক বাষ্প পরিবহন (PVT) পদ্ধতি ব্যবহার করেছে। নাইট্রোজেন এবং আর্গন গ্যাসের মিশ্রণের অনুপাত সামঞ্জস্য করে, নাইট্রোজেন ডোপিংয়ের ঘনত্ব নিয়ন্ত্রণ করা হয়েছিল। নির্দিষ্ট পরীক্ষামূলক পদক্ষেপ অন্তর্ভুক্ত:

2100°C এবং 2300°C এর মধ্যে স্ফটিক বৃদ্ধির তাপমাত্রা এবং 2 mbar এ বৃদ্ধির চাপ বজায় রাখা।

নাইট্রোজেন গ্যাসের ভলিউম্যাট্রিক ভগ্নাংশকে প্রাথমিক 9% থেকে কমিয়ে 6% এবং তারপরে পরীক্ষার সময় 9% পর্যন্ত সামঞ্জস্য করা।

প্রতিরোধ ক্ষমতা পরিমাপ এবং রমন স্পেকট্রোস্কোপি বিশ্লেষণের জন্য প্রায় 0.45 মিমি পুরু ওয়েফারে বড় হওয়া স্ফটিক কাটা।

প্রতিরোধ ক্ষমতা বন্টন আরও ভালভাবে বুঝতে ক্রিস্টাল বৃদ্ধির সময় তাপ ক্ষেত্রের অনুকরণ করতে COMSOL সফ্টওয়্যার ব্যবহার করে।

গবেষণা কি জড়িত ছিল?

এই গবেষণায় PVT পদ্ধতি ব্যবহার করে 150 মিমি ব্যাস সহ এন-টাইপ 4H-SiC স্ফটিক বৃদ্ধি করা এবং বিভিন্ন বৃদ্ধির পর্যায়ে প্রতিরোধ ক্ষমতা বন্টন পরিমাপ করা এবং বিশ্লেষণ করা জড়িত। ফলাফলগুলি দেখায় যে স্ফটিকের প্রতিরোধ ক্ষমতা রেডিয়াল তাপীয় গ্রেডিয়েন্ট এবং স্ফটিক বৃদ্ধির প্রক্রিয়া দ্বারা প্রভাবিত হয়, বিভিন্ন বৃদ্ধির পর্যায়ে বিভিন্ন বৈশিষ্ট্য প্রদর্শন করে।

ক্রিস্টাল বৃদ্ধির প্রাথমিক পর্যায়ে কি ঘটে?

স্ফটিক বৃদ্ধির প্রাথমিক পর্যায়ে, রেডিয়াল থার্মাল গ্রেডিয়েন্ট সবচেয়ে উল্লেখযোগ্যভাবে প্রতিরোধ ক্ষমতা বন্টনকে প্রভাবিত করে। ক্রিস্টালের কেন্দ্রীয় অঞ্চলে প্রতিরোধ ক্ষমতা কম এবং ধীরে ধীরে প্রান্তের দিকে বাড়তে থাকে, বৃহত্তর তাপীয় গ্রেডিয়েন্টের কারণে কেন্দ্র থেকে উপকণ্ঠে নাইট্রোজেন ডোপিং ঘনত্ব হ্রাস পায়। এই পর্যায়ের নাইট্রোজেন ডোপিং প্রাথমিকভাবে তাপমাত্রার গ্রেডিয়েন্ট দ্বারা প্রভাবিত হয়, বাহক ঘনত্ব বন্টন তাপমাত্রার বৈচিত্রের উপর নির্ভর করে স্পষ্ট বৈশিষ্ট্য দেখায়। রমন স্পেকট্রোস্কোপি পরিমাপ নিশ্চিত করেছে যে বাহকের ঘনত্ব কেন্দ্রে বেশি এবং প্রান্তে কম, প্রতিরোধ ক্ষমতা বন্টন ফলাফলের সাথে সামঞ্জস্যপূর্ণ।

ক্রিস্টাল গ্রোথের মাঝামাঝি পর্যায়ে কী পরিবর্তন ঘটে?

স্ফটিক বৃদ্ধির সাথে সাথে বৃদ্ধির দিকগুলি প্রসারিত হয় এবং রেডিয়াল তাপীয় গ্রেডিয়েন্ট হ্রাস পায়। এই পর্যায়ে, যদিও রেডিয়াল থার্মাল গ্রেডিয়েন্ট এখনও রেজিস্টিভিটি বন্টনকে প্রভাবিত করে, ক্রিস্টাল দিকের উপর সর্পিল বৃদ্ধি প্রক্রিয়ার প্রভাব স্পষ্ট হয়ে ওঠে। অ-মুখী অঞ্চলের তুলনায় মুখী অঞ্চলে প্রতিরোধ ক্ষমতা উল্লেখযোগ্যভাবে কম। ওয়েফার 23-এর রমন স্পেকট্রোস্কোপি বিশ্লেষণে দেখা গেছে যে বাহকের ঘনত্ব ফ্যাসেট অঞ্চলে উল্লেখযোগ্যভাবে বেশি, যা ইঙ্গিত করে যে সর্পিল বৃদ্ধি প্রক্রিয়া নাইট্রোজেন ডোপিং বৃদ্ধির প্রচার করে, যার ফলে এই অঞ্চলে কম প্রতিরোধ ক্ষমতা হয়।

ক্রিস্টাল বৃদ্ধির শেষ পর্যায়ের বৈশিষ্ট্যগুলি কী কী?

স্ফটিক বৃদ্ধির পরবর্তী পর্যায়ে, দিকগুলির উপর সর্পিল বৃদ্ধির প্রক্রিয়াটি প্রভাবশালী হয়ে ওঠে, যা মুখী অঞ্চলে প্রতিরোধ ক্ষমতাকে আরও কমিয়ে দেয় এবং স্ফটিক কেন্দ্রের সাথে প্রতিরোধ ক্ষমতার পার্থক্য বাড়ায়। ওয়েফার 44-এর প্রতিরোধকতা বন্টনের বিশ্লেষণে দেখা গেছে যে এই অঞ্চলে উচ্চতর নাইট্রোজেন ডোপিংয়ের সাথে মিল রেখে ফেসেট অঞ্চলে প্রতিরোধ ক্ষমতা উল্লেখযোগ্যভাবে কম। ফলাফলগুলি নির্দেশ করে যে ক্রমবর্ধমান স্ফটিক বেধের সাথে, ক্যারিয়ারের ঘনত্বের উপর সর্পিল বৃদ্ধি প্রক্রিয়ার প্রভাব রেডিয়াল তাপীয় গ্রেডিয়েন্টকে ছাড়িয়ে যায়। নাইট্রোজেন ডোপিং ঘনত্ব নন-ফেসেট অঞ্চলে তুলনামূলকভাবে অভিন্ন কিন্তু ফ্যাসেট অঞ্চলে উল্লেখযোগ্যভাবে বেশি, যা ইঙ্গিত করে যে ফ্যাসেট অঞ্চলে ডোপিং প্রক্রিয়া বাহকের ঘনত্ব এবং দেরী বৃদ্ধির পর্যায়ে প্রতিরোধ ক্ষমতা বন্টন নিয়ন্ত্রণ করে।

কিভাবে তাপমাত্রা গ্রেডিয়েন্ট এবং নাইট্রোজেন ডোপিং সম্পর্কিত?

পরীক্ষার ফলাফলগুলি নাইট্রোজেন ডোপিং ঘনত্ব এবং তাপমাত্রা গ্রেডিয়েন্টের মধ্যে একটি স্পষ্ট ইতিবাচক সম্পর্কও দেখিয়েছে। প্রাথমিক পর্যায়ে, নাইট্রোজেন ডোপিং ঘনত্ব কেন্দ্রে বেশি এবং মুখী অঞ্চলে কম। স্ফটিকের বৃদ্ধির সাথে সাথে, ফ্যাসেট অঞ্চলে নাইট্রোজেন ডোপিং ঘনত্ব ধীরে ধীরে বৃদ্ধি পায়, অবশেষে কেন্দ্রে এটিকে ছাড়িয়ে যায়, যা প্রতিরোধ ক্ষমতার পার্থক্যের দিকে পরিচালিত করে। এই ঘটনাটি নাইট্রোজেন গ্যাস ভলিউমেট্রিক ভগ্নাংশ নিয়ন্ত্রণ করে অপ্টিমাইজ করা যেতে পারে। সংখ্যাসূচক সিমুলেশন বিশ্লেষণ প্রকাশ করেছে যে রেডিয়াল থার্মাল গ্রেডিয়েন্টের হ্রাস একটি আরও অভিন্ন নাইট্রোজেন ডোপিং ঘনত্বের দিকে পরিচালিত করে, বিশেষ করে পরবর্তী বৃদ্ধির পর্যায়ে স্পষ্ট। পরীক্ষাটি একটি সমালোচনামূলক তাপমাত্রা গ্রেডিয়েন্ট (ΔT) চিহ্নিত করেছে যার নীচে প্রতিরোধ ক্ষমতা বন্টন অভিন্ন হয়ে যায়।

নাইট্রোজেন ডোপিং এর প্রক্রিয়া কি?

নাইট্রোজেন ডোপিং ঘনত্ব শুধুমাত্র তাপমাত্রা এবং রেডিয়াল থার্মাল গ্রেডিয়েন্ট দ্বারা প্রভাবিত হয় না বরং C/Si অনুপাত, নাইট্রোজেন গ্যাস ভলিউমেট্রিক ভগ্নাংশ এবং বৃদ্ধির হার দ্বারাও প্রভাবিত হয়। নন-ফেসেট অঞ্চলে, নাইট্রোজেন ডোপিং প্রধানত তাপমাত্রা এবং সি/সি অনুপাত দ্বারা নিয়ন্ত্রিত হয়, অন্যদিকে ফ্যাসেট অঞ্চলে নাইট্রোজেন গ্যাস ভলিউমেট্রিক ভগ্নাংশ আরও গুরুত্বপূর্ণ ভূমিকা পালন করে। গবেষণায় দেখা গেছে যে ফ্যাসেট অঞ্চলে নাইট্রোজেন গ্যাস ভলিউমেট্রিক ভগ্নাংশ সামঞ্জস্য করে, প্রতিরোধ ক্ষমতা কার্যকরভাবে হ্রাস করা যেতে পারে, উচ্চ বাহক ঘনত্ব অর্জন করে।

চিত্র 1(a) নির্বাচিত ওয়েফারগুলির অবস্থানগুলিকে চিত্রিত করে, যা স্ফটিকের বিভিন্ন বৃদ্ধির স্তরগুলিকে প্রতিনিধিত্ব করে। ওয়েফার নং 1 প্রাথমিক পর্যায়, নং 23 মধ্য পর্যায় এবং নং 44 শেষ পর্যায়ের প্রতিনিধিত্ব করে। এই ওয়েফারগুলি বিশ্লেষণ করে, গবেষকরা বিভিন্ন বৃদ্ধির পর্যায়ে প্রতিরোধ ক্ষমতা বন্টন পরিবর্তনের তুলনা করতে পারেন।

চিত্র 1(b), 1©, এবং 1(d) যথাক্রমে ওয়েফার নং 1, নং 23 এবং নং 44 এর রেজিসিটিভিটি ডিস্ট্রিবিউশন ম্যাপ দেখায়, যেখানে রঙের তীব্রতা প্রতিরোধ ক্ষমতার মাত্রা নির্দেশ করে, যেখানে গাঢ় অঞ্চলগুলি নিম্নের দিকের অবস্থানের প্রতিনিধিত্ব করে প্রতিরোধ ক্ষমতা

ওয়েফার নং 1: বৃদ্ধির দিকগুলি ছোট এবং ওয়েফারের প্রান্তে অবস্থিত, সামগ্রিকভাবে উচ্চ প্রতিরোধ ক্ষমতা যা কেন্দ্র থেকে প্রান্ত পর্যন্ত বৃদ্ধি পায়।

ওয়েফার নং.23: দিকগুলি প্রসারিত হয়েছে এবং ওয়েফার কেন্দ্রের কাছাকাছি রয়েছে, মুখী অঞ্চলে উল্লেখযোগ্যভাবে কম প্রতিরোধ ক্ষমতা এবং অ-মুখী অঞ্চলে উচ্চতর প্রতিরোধ ক্ষমতা।

ওয়েফার নং. 44: দিকগুলি প্রসারিত হতে থাকে এবং ওয়েফার কেন্দ্রের দিকে অগ্রসর হতে থাকে, মুখী অঞ্চলে প্রতিরোধ ক্ষমতা অন্যান্য এলাকার তুলনায় উল্লেখযোগ্যভাবে কম।

চিত্র 2(a) সময়ের সাথে সাথে স্ফটিক ব্যাসের দিক ([1120] দিক) বরাবর বৃদ্ধির দিকগুলির প্রস্থের বৈচিত্র দেখায়। দিকগুলি প্রাথমিক বৃদ্ধির পর্যায়ে সংকীর্ণ অঞ্চল থেকে পরবর্তী পর্যায়ে বিস্তৃত অঞ্চলে বিস্তৃত হয়।

চিত্র 2(b), 2©, এবং 2(d) যথাক্রমে নং 1, নং 23 এবং নং 44 ওয়েফারগুলির ব্যাসের দিক বরাবর রেজিসিটিভিটি বন্টন প্রদর্শন করে।

ওয়েফার নং 1: বৃদ্ধির দিকগুলির প্রভাব ন্যূনতম, প্রতিরোধ ক্ষমতা ধীরে ধীরে কেন্দ্র থেকে প্রান্ত পর্যন্ত বৃদ্ধি পায়।

ওয়েফার নং.23: দিকগুলি উল্লেখযোগ্যভাবে প্রতিরোধ ক্ষমতা কমিয়ে দেয়, যখন নন-ফেসেট অঞ্চলগুলি উচ্চ প্রতিরোধ ক্ষমতা বজায় রাখে।

ওয়েফার নং. 44: ওয়েফারের বাকি অংশের তুলনায় ফেসেট অঞ্চলগুলির প্রতিরোধ ক্ষমতা উল্লেখযোগ্যভাবে কম, প্রতিরোধ ক্ষমতার উপর দিক প্রভাব আরও স্পষ্ট হয়ে উঠছে।

চিত্র 3(a), 3(b), এবং 3© যথাক্রমে 1, নং 23 এবং নং 44 ওয়েফারের বিভিন্ন অবস্থানে (A, B, C, D) পরিমাপ করা LOPC মোডের রমন শিফটগুলি দেখায় , ক্যারিয়ার ঘনত্ব পরিবর্তন প্রতিফলিত.

ওয়েফার নং 1: রমন স্থানান্তর কেন্দ্র (পয়েন্ট A) থেকে প্রান্তে (পয়েন্ট সি) ধীরে ধীরে হ্রাস পায়, যা কেন্দ্র থেকে প্রান্তে নাইট্রোজেন ডোপিং ঘনত্বের হ্রাস নির্দেশ করে। পয়েন্ট ডি (অভিমুখ অঞ্চল) এ কোন উল্লেখযোগ্য রমন শিফট পরিবর্তন পরিলক্ষিত হয় না।

ওয়েফার নং.23 এবং নং.44: রমন স্থানান্তর ফ্যাসেট অঞ্চলে (বিন্দু ডি) বেশি, যা উচ্চ নাইট্রোজেন ডোপিং ঘনত্ব নির্দেশ করে, কম প্রতিরোধ ক্ষমতা পরিমাপের সাথে সামঞ্জস্যপূর্ণ।

চিত্র 4(a) ওয়েফারের বিভিন্ন রেডিয়াল অবস্থানে ক্যারিয়ারের ঘনত্ব এবং রেডিয়াল তাপমাত্রা গ্রেডিয়েন্টের তারতম্য দেখায়। এটি নির্দেশ করে যে বাহকের ঘনত্ব কেন্দ্র থেকে প্রান্তে হ্রাস পায়, যখন তাপমাত্রা গ্রেডিয়েন্ট প্রাথমিক বৃদ্ধির পর্যায়ে বড় হয় এবং পরবর্তীকালে হ্রাস পায়।

চিত্র 4(b) তাপমাত্রা গ্রেডিয়েন্ট (ΔT) সহ ফ্যাসেট সেন্টার এবং ওয়েফার সেন্টারের মধ্যে ক্যারিয়ার ঘনত্বের পার্থক্যের পরিবর্তনকে চিত্রিত করে। প্রাথমিক বৃদ্ধির পর্যায়ে (ওয়েফার নং 1), বাহকের ঘনত্ব ওয়েফার কেন্দ্রে মুখের কেন্দ্রের তুলনায় বেশি। স্ফটিকের বৃদ্ধির সাথে সাথে, ফ্যাসেট অঞ্চলে নাইট্রোজেন ডোপিং ঘনত্ব ধীরে ধীরে কেন্দ্রে ছাড়িয়ে যায়, Δn নেতিবাচক থেকে ইতিবাচক তে পরিবর্তিত হওয়ার সাথে, দিক বৃদ্ধির প্রক্রিয়ার ক্রমবর্ধমান আধিপত্য নির্দেশ করে।

চিত্র 5 সময়ের সাথে ওয়েফার সেন্টার এবং ফেসেট সেন্টারে প্রতিরোধ ক্ষমতার পরিবর্তন দেখায়। স্ফটিকের বৃদ্ধির সাথে সাথে ওয়েফার সেন্টারে প্রতিরোধ ক্ষমতা 15.5 mΩ·cm থেকে 23.7 mΩ·cm পর্যন্ত বৃদ্ধি পায়, যখন ফেসেট সেন্টারে প্রতিরোধ ক্ষমতা প্রাথমিকভাবে 22.1 mΩ·cm এবং তারপর 19.5 mΩ·cm এ হ্রাস পায়। ফ্যাসেট অঞ্চলে প্রতিরোধ ক্ষমতা হ্রাস নাইট্রোজেন গ্যাস ভলিউমেট্রিক ভগ্নাংশের পরিবর্তনের সাথে সম্পর্কযুক্ত, যা নাইট্রোজেন ডোপিং ঘনত্ব এবং প্রতিরোধের মধ্যে একটি নেতিবাচক সম্পর্ক নির্দেশ করে।

উপসংহার

অধ্যয়নের মূল উপসংহার হল রেডিয়াল থার্মাল গ্রেডিয়েন্ট এবং ক্রিস্টাল ফেসেট বৃদ্ধি উল্লেখযোগ্যভাবে 4H-SiC স্ফটিকগুলিতে প্রতিরোধ ক্ষমতা বিতরণকে প্রভাবিত করে:

স্ফটিক বৃদ্ধির প্রাথমিক পর্যায়ে, রেডিয়াল থার্মাল গ্রেডিয়েন্ট বাহকের ঘনত্ব বন্টন নির্ধারণ করে, স্ফটিক কেন্দ্রে কম প্রতিরোধ ক্ষমতা এবং প্রান্তে উচ্চতর।

স্ফটিকের বৃদ্ধির সাথে সাথে, ফ্যাসেট অঞ্চলে নাইট্রোজেন ডোপিং ঘনত্ব বৃদ্ধি পায়, প্রতিরোধ ক্ষমতা কমায়, ফ্যাসেট অঞ্চল এবং স্ফটিক কেন্দ্রের মধ্যে প্রতিরোধ ক্ষমতার পার্থক্য আরও স্পষ্ট হয়ে ওঠে।

রেডিয়াল থার্মাল গ্রেডিয়েন্ট থেকে ফেসেট গ্রোথ মেকানিজম থেকে রেজিসিটিভিটি ডিস্ট্রিবিউশন কন্ট্রোলের রূপান্তরকে চিহ্নিত করে একটি গুরুত্বপূর্ণ তাপমাত্রা গ্রেডিয়েন্ট চিহ্নিত করা হয়েছিল।**

মূল উৎস: Xie, X., Kong, Y., Xu, L., Yang, D., & Pi, X. (2024)। একটি n-টাইপ 4H-SiC স্ফটিকের বৈদ্যুতিক প্রতিরোধকতার বিতরণ। জার্নাল অফ ক্রিস্টাল গ্রোথ। https://doi.org/10.1016/j.jcrysgro.2024.127892