Adım kontrollü epitaksiyel büyüme nedir?

SiC güç cihazlarının hazırlanmasına yönelik temel teknolojilerden biri olan SiC epitaksiyel büyüme teknolojisi tarafından büyütülen epitaksinin kalitesi, SiC cihazlarının performansını doğrudan etkileyecektir. Şu anda en yaygın SiC epitaksiyel büyüme teknolojisi, kimyasal buhar biriktirmedir (CVD).

SiC'nin birçok kararlı kristal politipi vardır. Bu nedenle, elde edilen epitaksiyel büyüme katmanının spesifik kristal politipini miras almasını sağlamak içinSiC substratıSubstratın üç boyutlu atomik düzenleme bilgisinin epitaksiyel büyüme katmanına aktarılması gerekir ve bu da bazı özel yöntemler gerektirir. Kyoto Üniversitesi'nden emekli profesör Hiroyuki Matsunami ve diğerleri, uygun büyüme koşulları altında SiC substratının düşük indeksli kristal düzlemi üzerinde küçük bir açı dışı yönde kimyasal buhar biriktirme (CVD) gerçekleştiren böyle bir SiC epitaksiyel büyüme teknolojisini önerdiler. Bu teknik yönteme aynı zamanda adım kontrollü epitaksiyel büyüme yöntemi de denir.

Şekil 1, adım kontrollü epitaksiyel büyüme yöntemiyle SiC epitaksiyel büyümesinin nasıl gerçekleştirileceğini göstermektedir. Temiz ve açılı bir SiC substratının yüzeyi adım katmanları halinde oluşturulur ve moleküler düzeyde adım ve tablo yapısı elde edilir. Hammadde gazı verildiğinde, ham madde SiC substratının yüzeyine beslenir ve tabla üzerinde hareket eden ham madde sıralı adımlarla yakalanır. Yakalanan ham madde kristal politipiyle tutarlı bir düzenleme oluşturduğundaSiC substratıkarşılık gelen pozisyonda, epitaksiyel katman, SiC substratının spesifik kristal politipini başarılı bir şekilde miras alır.

Şekil 1: SiC substratının açılı bir açıyla epitaksiyel büyümesi (0001)

Elbette adım kontrollü epitaksiyel büyüme teknolojisinde sorunlar olabilir. Büyüme koşulları uygun koşulları karşılamadığında, ham maddeler basamaklar yerine masa üzerinde çekirdekleşecek ve kristaller üretecek, bu da farklı kristal politiplerinin büyümesine yol açacak ve ideal epitaksiyel katmanın büyümemesine neden olacaktır. Epitaksiyel katmanda heterojen politipler ortaya çıkarsa yarı iletken cihaz ölümcül kusurlarla kalabilir. Bu nedenle adım kontrollü epitaksiyel büyüme teknolojisinde, sapma derecesinin adım genişliğini makul bir büyüklüğe ulaştıracak şekilde tasarlanması gerekir. Aynı zamanda hammadde gazındaki Si hammaddelerinin ve C hammaddelerinin konsantrasyonu, büyüme sıcaklığı ve diğer koşullar da basamaklarda kristallerin öncelikli oluşumu için koşulları karşılamalıdır. Şu anda ana yüzey4H tipi SiC substratıPiyasada hem adım kontrollü epitaksiyel büyüme teknolojisinin gereksinimlerini karşılayabilen hem de bulyondan elde edilen levha sayısını arttırabilen 4° sapma açılı (0001) bir yüzey sunulmaktadır.

SiC epitaksiyel büyümesi için kimyasal buhar biriktirme yönteminde taşıyıcı olarak yüksek saflıkta hidrojen kullanılır ve SiH4 gibi Si ham maddeleri ve C3H8 gibi C ham maddeleri, substrat sıcaklığı her zaman aynı sıcaklıkta tutulan SiC substratının yüzeyine girer. 1500-1600°C. 1500-1600°C sıcaklıkta, ekipmanın iç duvarının sıcaklığı yeterince yüksek değilse, hammaddelerin tedarik verimliliği artmayacaktır, bu nedenle sıcak duvar reaktörünün kullanılması gerekir. Dikey, yatay, çok tabakalı ve tekli dahil olmak üzere birçok SiC epitaksiyel büyütme ekipmanı türü vardır.gofrettürleri. Şekil 2, 3 ve 4, üç tip SiC epitaksiyel büyütme ekipmanının reaktör kısmının gaz akışını ve substrat konfigürasyonunu göstermektedir.

Şekil 2 Çoklu talaş dönüşü ve devrimi

Şekil 3 Çoklu çip devrimi

Şekil 4 Tek çip

SiC epitaksiyel substratların seri üretimini gerçekleştirmek için dikkate alınması gereken birkaç önemli nokta vardır: epitaksiyel katman kalınlığının tekdüzeliği, doping konsantrasyonunun tekdüzeliği, toz, verim, bileşen değiştirme sıklığı ve bakım kolaylığı. Bunlar arasında, doping konsantrasyonunun tekdüzeliği, cihazın voltaj direnci dağılımını doğrudan etkileyecektir, bu nedenle levha yüzeyinin, partinin ve partinin tekdüzeliği çok yüksektir. Ayrıca büyüme süreci sırasında reaktördeki ve egzoz sistemindeki bileşenlere bağlanan reaksiyon ürünleri bir toz kaynağı haline gelecektir ve bu tozların uygun şekilde nasıl uzaklaştırılacağı da önemli bir araştırma yönüdür.

SiC epitaksiyel büyümeden sonra, güç cihazlarının üretiminde kullanılabilecek yüksek saflıkta bir SiC tek kristal katmanı elde edilir. Ek olarak, epitaksiyel büyüme yoluyla, substratta mevcut olan bazal düzlem dislokasyonu (BPD), substrat/sürüklenme katmanı arayüzünde diş açma kenarı dislokasyonuna (TED) dönüştürülebilir (bkz. Şekil 5). İki kutuplu bir akım geçtiğinde, BPD istifleme hatası genişlemesine maruz kalacak ve bu da artan direnç gibi cihaz özelliklerinin bozulmasına neden olacaktır. Ancak BPD, TED'e dönüştürüldükten sonra cihazın elektriksel özellikleri etkilenmeyecektir. Epitaksiyel büyüme, bipolar akımın neden olduğu cihaz bozulmasını önemli ölçüde azaltabilir.

Şekil 5: Epitaksiyel büyümeden önce ve sonra SiC substratının BPD'si ve dönüşümden sonraki TED kesiti

SiC'nin epitaksiyel büyümesinde, genellikle sürüklenme katmanı ile altlık arasına bir tampon katman yerleştirilir. Yüksek konsantrasyonda n-tipi katkı içeren tampon katman, azınlık taşıyıcıların rekombinasyonunu destekleyebilir. Ayrıca tampon katman, maliyet üzerinde önemli bir etkiye sahip olan ve çok önemli bir cihaz üretim teknolojisi olan bazal düzlem dislokasyonunu (BPD) dönüştürme işlevine de sahiptir.