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

सिलिकॉन कार्बाइड एक ऐसा पदार्थ है जिसे भविष्य के पावर इलेक्ट्रॉनिक्स के लिए बनाया गया है। अधिकांश कंप्यूटर चिप्स में उपयोग किए जाने वाले सिलिकॉन के विपरीत, सिलिकॉन कार्बाइड बहुत उच्च वोल्टेज और तापमान को सहन कर सकता है, जो इसे इलेक्ट्रिक वाहनों और कुशल पावर ग्रिड के लिए आवश्यक बनाता है। इस सामग्री को उपयोगी बनाने के लिए, इंजीनियरों को इसे पूर्ण क्रिस्टल के रूप में उगाना पड़ता है और बिजली के प्रवाह को नियंत्रित करने के लिए इसमें अन्य तत्वों की सूक्ष्म मात्रा को सावधानीपूर्वक मिलाना पड़ता है, जिसे 'डोपिंग' कहा जाता है। इसमें मिलाए जाने वाले सबसे सामान्य तत्वों में से एक नाइट्रोजन है, जो इस सामग्री को एक सुचालक में बदल देता है जो ऋणात्मक आवेश (negative charges) को ले जाता है। हालांकि, नाइट्रोजन क्रिस्टल के भीतर कैसे प्रवेश करती है, यह इस बात पर बहुत अधिक निर्भर करता है कि क्रिस्टल कैसे उगाया जाता है। जब वैज्ञानिक एक विशिष्ट प्रकार की सतह पर सिलिकॉन कार्बाइड उगाते हैं, तो उन्होंने देखा है कि जैसे ही वे ग्रोथ फर्नेस (growth furnace) में गैसों के मिश्रण को बदलते हैं, क्रिस्टल के भीतर नाइट्रोजन की मात्रा अचानक ऊपर-नीचे होती है, जो एक सुचारू वक्र (smooth curve) का पालन नहीं करती है। यह अप्रत्याशित उछाल क्रिस्टल के केवल एक तरफ होता है, जिसे C-फेस (C-face) कहा जाता है, और इसने शोधकर्ताओं को उलझन में डाल दिया है क्योंकि यह इन सामग्रियों के बढ़ने के सामान्य नियमों को चुनौती देता है।

शोधकर्ताओं की एक टीम ने इस रहस्य को सुलझाने के लिए विकास प्रक्रिया के दौरान क्रिस्टल की सतह के परमाणु स्तर (atomic level) का अध्ययन करने का निर्णय लिया। उन्होंने सिलिकॉन कार्बाइड के एक विशिष्ट प्रकार, 4H-SiC पर ध्यान केंद्रित किया, जिसे एक थोड़ी झुकी हुई सतह पर उगाया गया था, जो एक पूरी तरह से सपाट तल के बजाय परमाणु चरणों (atomic steps) की एक श्रृंखला बनाता है। क्वांटम यांत्रिकी के नियमों पर आधारित शक्तिशाली कंप्यूटर सिमुलेशन का उपयोग करते हुए, उन्होंने मॉडल बनाया कि उच्च तापमान पर विभिन्न गैसों के मिश्रण के संपर्क में आने पर सतह के परमाणु कैसे व्यवहार करते हैं। शोधकर्ताओं ने केवल एक सपाट सतह को नहीं देखा; उन्होंने एक डिजिटल मॉडल बनाया जिसमें ये परमाणु चरण शामिल थे, क्योंकि वास्तव में नया पदार्थ वहीं बनता है। उन्होंने वास्तविक ग्रोथ फर्नेस की स्थितियों का अनुकरण किया, जिसमें 1625 डिग्री सेल्सियस का तापमान और औद्योगिक प्रयोगों में उपयोग की जाने वाली गैसों का विशिष्ट प्रवाह शामिल था। उनका लक्ष्य यह समझना था कि क्यों कार्बन गैस और सिलिकॉन गैस के अनुपात का मिश्रण एक विशिष्ट सीमा (threshold) को पार करने पर नाइट्रोजन का समावेश अजीब तरह से व्यवहार करता है।

सिमुलेशन से पता चला कि क्रिस्टल की सतह स्थिर नहीं है; गैसों के संतुलन के आधार पर यह अपना आकार और रासायनिक संरचना बदल लेती है। सतह के सपाट हिस्सों पर, जिन्हें टेरेस (terraces) कहा जाता है, परमाणु लगभग पूरी तरह से हाइड्रोजन परमाणुओं द्वारा ढके होते हैं, जो एक सुरक्षात्मक कंबल की तरह कार्य करते हैं। हालांकि, परमाणु चरणों के किनारों पर होने वाला व्यवहार एक अलग कहानी बताता है। जब कार्बन गैस और सिलिकॉन गैस का अनुपात कम होता है, तो चरणों पर सिलिकॉन परमाणुओं का प्रभुत्व होता है जो हाइड्रोजन से ढके नहीं होते हैं। लेकिन जैसे ही कार्बन गैस का अनुपात एक विशिष्ट बिंदु से ऊपर उठता है, चरण के किनारे (step edge) की प्रकृति नाटकीय रूप से बदल जाती है। किनारे पर मौजूद सिलिकॉन परमाणुओं को कार्बन परमाणुओं द्वारा बदल दिया जाता है जो हाइड्रोजन से ढक जाते हैं। यह परिवर्तन बहुत तेजी से होता है, जिससे एक नए प्रकार का स्टेप एज (step edge) बनता है जो उस क्षण पहले मौजूद किनारे से रासायनिक रूप से भिन्न होता है।

स्टेप एज की संरचना में यह अचानक परिवर्तन नाइट्रोजन के रहस्य की कुंजी है। शोधकर्ताओं ने गणना की कि एक नाइट्रोजन परमाणु इन चरणों पर कार्बन परमाणु के साथ कितनी आसानी से स्थान बदल सकता है। उन्होंने पाया कि जब स्टेप एज हाइड्रोजन से ढका होता है, तो नाइट्रोजन के लिए क्रिस्टल लैटिस (lattice) में घुसना बहुत आसान हो जाता है। वास्तव में, इस नए, हाइड्रोजन-ढके कार्बन स्टेप एज पर नाइट्रोजन के प्रवेश के लिए आवश्यक ऊर्जा काफी कम हो जाती है। चूंकि इस पुराने स्टेप प्रकार से नए प्रकार में संक्रमण गैस अनुपात के एक विशिष्ट मान को पार करने पर तेजी से होता है, इसलिए क्रिस्टल की नाइट्रोजन स्वीकार करने की क्षमता भी अचानक बढ़ जाती है। यह नाइट्रोजन डोपिंग में उस विच्छिन्न उछाल (discontinuous spike) की व्याख्या करता है जिसे प्रायोगिक वैज्ञानिकों ने देखा था लेकिन पहले समझा नहीं जा सका था। अध्ययन सुझाव देता है कि नाइट्रोजन के स्तर में यह अजीब उछाल कोई यादृच्छिक त्रुटि या उपकरण की खामी नहीं है, बल्कि गैस मिश्रण के जवाब में क्रिस्टल की सतह का परमाणु स्तर पर स्वयं को पुनर्गठित करने का सीधा परिणाम है।

शोधकर्ताओं ने इस झुकी हुई सतह पर मौजूद दूसरे प्रकार के स्टेप एज का भी परीक्षण किया। उन्होंने पाया कि इस दूसरे प्रकार का स्टेप एज गैस अनुपात के बावजूद स्थिर और अपरिवर्तित रहता है, और यह पहले प्रकार की तरह नाइट्रोजन को आसानी से प्रवेश करने की अनुमति नहीं देता है। इसका अर्थ है कि अंतिम क्रिस्टल में नाइट्रोजन की कुल मात्रा पहले प्रकार के स्टेप एज के व्यवहार द्वारा नियंत्रित होती है, जो अचानक परिवर्तन से गुजरता है। अपने कंप्यूटर मॉडल को वास्तविक दुनिया के प्रयोगात्मक डेटा के साथ जोड़कर, टीम ने दिखाया कि उनका सिमुलेशन लैब में देखे गए नाइट्रोजन डोपिंग के अचानक उछाल को सटीक रूप से पुनरुत्पादित करता है। उनका कार्य एक स्पष्ट, परमाणु-दर-परमाणु चित्र प्रदान करता है कि कैसे गैस मिश्रण में बदलाव एक संरचनात्मक परिवर्तन को ट्रिगर करता है, जो बदले में सामग्री के विद्युत गुणों को नियंत्रित करता है। यह अंतर्दृष्टि इंजीनियरों को समझने में मदद करती है कि इन उन्नत अर्धचालकों (semiconductors) की गुणवत्ता को नियंत्रित करने के लिए, उन्हें गैस संतुलन का अत्यंत सटीकता के साथ प्रबंधन करना चाहिए, क्योंकि एक विशिष्ट सीमा को पार करना मौलिक रूप से इस बात को बदल सकता है कि क्रिस्टल कैसे बढ़ता है और अशुद्धियों को स्वीकार करता है।