Influence of chemical vapor deposition conditions on N incorporation ratio on vicinal 4H-SiC(000-1) surface: Ab Initio-based approach

Siliziumkarbid ist ein Material, das für die Zukunft der Leistungselektronik gebaut wurde. Im Gegensatz zu dem Silizium, das in den meisten Computerchips verwendet wird, kann Siliziumkarbid viel höhere Spannungen und Temperaturen bewältigen, was es für Elektrofahrzeuge und effiziente Stromnetze unverzichtbar macht. Um dieses Material nutzbar zu machen, müssen Ingenieure es zu perfekten Kristallen heranzüchten und gezielt winzige Mengen anderer Elemente hinzufügen – ein Prozess namens Dotierung –, um zu steuern, wie der Strom durch es fließt. Eines der am häufigsten hinzugefügten Elemente ist Stickstoff, der das Material in einen Leiter verwandelt, der negative Ladungen trägt. Die Art und Weise, wie der Stickstoff in den Kristall gelangt, hängt jedoch stark davon ab, wie der Kristall gezüchtet wird. Wenn Wissenschaftler Siliziumkarbid auf einer bestimmten Art von Oberfläche züchten, haben sie eine seltsame Verhaltensweise beobachtet: Wenn sie die Mischung der Gase im Wachstumsofen verändern, springt die Menge des Stickstoffs, der in den Kristall gelangt, plötzlich hoch und runter, auf eine Weise, die keiner glatten Kurve folgt. Dieser unvorhersehbare Sprung tritt nur auf einer Seite des Kristalls auf, der sogenannten C-Face, und hat Forscher rätseln lassen, da er den üblichen Regeln, nach denen diese Materialien wachsen, widerspricht.

Ein Forschungsteam setzte sich zum Ziel, dieses Rätsel zu lösen, indem es die atomare Ebene der Kristalloberfläche während des Wachstumsprozesses untersuchte. Sie konzentrierten sich auf eine spezifische Art von Siliziumkarbidkristall, das 4H-SiC, das auf einer leicht geneigten Oberfläche gezüchtet wurde, was eine Serie von winzigen atomaren Stufen anstelle einer perfekt flachen Ebene erzeugt. Mithilfe leistungsstarker Computersimulationen, die auf den Gesetzen der Quantenmechanik basieren, modellierten sie, wie sich die Oberflächenatome bei der Exposition gegenüber verschiedenen Gasmischungen bei hohen Temperaturen verhalten. Die Forscher betrachteten nicht nur eine flache Oberfläche, sondern erstellten ein digitales Modell, das diese atomaren Stufen enthielt, da dort das neue Material tatsächlich entsteht. Sie simulierten die Bedingungen in einem echten Wachstumsofen, einschließlich der Temperatur von 1625 Grad Celsius und des spezifischen Gasflusses, der in industriellen Experimenten verwendet wird. Ihr Ziel war es zu verstehen, warum die Stickstoffaufnahme so seltsam verläuft, wenn das Verhältnis von Kohlenstoffgas zu Siliziumgas in der Zuleitung einen bestimmten Schwellenwert überschreitet.

Die Simulationen zeigten, dass die Oberfläche des Kristalls nicht statisch ist; sie verändert ihre Form und chemische Zusammensetzung je nach dem Gleichgewicht der Gase im Ofen. Auf den flachen Teilen der Oberfläche, den Terrassen genannt, sind die Atome fast vollständig von Wasserstoffatomen bedeckt, die wie eine schützende Decke wirken. Das Verhalten an den Kanten der atomaren Stufen erzählt jedoch eine andere Geschichte. Wenn das Verhältnis von Kohlenstoffgas zu Siliziumgas niedrig ist, werden die Stufen von Siliziumatomen dominiert, die nicht von Wasserstoff bedeckt sind. Aber sobald das Kohlenstoffgasverhältnis über einen bestimmten Punkt steigt, ändert sich die Natur der Stufenkante dramatisch. Die Siliziumatome an der Kante werden durch Kohlenstoffatome ersetzt, die mit Wasserstoff bedeckt sind. Dieser Übergang geschieht sehr schnell und erzeugt eine neue Art von Stufenkante, die sich chemisch deutlich von der unterscheidet, die kurz zuvor noch existierte.

Diese plötzliche Änderung der Stufenkantenstruktur ist der Schlüssel zum Stickstoffrätsel. Die Forscher berechneten, wie leicht ein Stickstoffatom den Platz mit einem Kohlenstoffatom an diesen Stufen tauschen kann. Sie fanden heraus, dass es wesentlich einfacher für Stickstoff ist, in das Kristallgitter zu schlüpfen, wenn die Stufenkante mit Wasserstoff bedeckt ist. Tatsächlich sinkt die Energie, die erforderlich ist, damit Stickstoff in den Kristall eintritt, an dieser neuen, wasserstoffbedeckten Kohlenstoffstufenkante signifikant. Da der Übergang von der alten Stufentyp zu dem neuen Typ sehr scharf erfolgt, wenn das Gasverhältnis einen bestimmten Wert überschreitet, steigt auch die Fähigkeit des Kristalls, Stickstoff aufzunehmen, plötzlich an. Dies erklärt den diskontinuierlichen Sprung in der Stickstoffdotierung, den Experimentalisten beobachtet, aber zuvor nicht erklären konnten. Die Studie legt nahe, dass der seltsame Sprung im Stickstoffgehalt kein zufälliger Fehler oder ein Defekt der Ausrüstung ist, sondern eine direkte Folge der Tatsache, dass sich die Kristalloberfläche als Reaktion auf die Gasmischung auf atomarer Ebene neu anordnet.

Die Forscher untersuchten auch einen zweiten Typ von Stufenkante, der auf dieser geneigten Oberfläche existieren kann. Sie fanden heraus, dass dieser zweite Typ von Stufe unabhängig vom Gasverhältnis stabil und unverändert bleibt und Stickstoff nicht so leicht wie der erste Typ eintreten lässt. Dies bedeutet, dass die gesamte Menge an Stickstoff im fertigen Kristall durch das Verhalten des ersten Typs der Stufenkante bestimmt wird – also derjenigen, die eine plötzliche Transformation durchläuft. Durch die Kombination ihrer Computermodelle mit realen experimentellen Daten zeigten die Forscher, dass ihre Simulation den plötzlichen Sprung in der Stickstoffdotierung, der im Labor beobachtet wurde, genau reproduziert. Ihre Arbeit liefert ein klares, Atom-für-Atom-Bild davon, wie eine Änderung der Gasmischung eine strukturelle Änderung an der Oberfläche auslöst, die wiederum die elektrischen Eigenschaften des Materials steuert. Diese Erkenntnis hilft Ingenieuren zu verstehen, dass sie zur Kontrolle der Qualität dieser fortschrittlichen Halbleiter das Gasgleichgewicht mit extremer Präzision steuern müssen, da das Überschreiten eines spezifischen Schwellenwerts die Art und Weise, wie der Kristall wächst und Verunreinigungen aufnimmt, grundlegend verändern kann.