Ano ang step-controlled epitaxial growth?

Bilang isa sa mga pangunahing teknolohiya para sa paghahanda ng mga SiC power device, ang kalidad ng epitaxy na pinalago ng SiC epitaxial growth technology ay direktang makakaapekto sa performance ng mga SiC device. Sa kasalukuyan, ang pinaka-mainstream na SiC epitaxial growth technology ay chemical vapor deposition (CVD).

Mayroong maraming mga matatag na polytype ng kristal ng SiC. Samakatuwid, upang paganahin ang nakuha na epitaxial growth layer na magmana ng tiyak na polytype ng kristal ngSiC substrate, kinakailangang ilipat ang tatlong-dimensional na impormasyon ng pag-aayos ng atomic ng substrate sa epitaxial growth layer, at nangangailangan ito ng ilang mga espesyal na pamamaraan. Si Hiroyuki Matsunami, propesor emeritus ng Kyoto University, at iba pa ay nagmungkahi ng naturang SiC epitaxial growth technology, na nagsasagawa ng chemical vapor deposition (CVD) sa low-index crystal plane ng SiC substrate sa isang maliit na off-angle na direksyon sa ilalim ng naaangkop na mga kondisyon ng paglago. Ang teknikal na pamamaraang ito ay tinatawag ding step-controlled epitaxial growth method.

Ipinapakita ng Figure 1 kung paano isasagawa ang SiC epitaxial growth sa pamamagitan ng step-controlled na epitaxial growth method. Ang ibabaw ng isang malinis at off-angle na SiC substrate ay nabuo sa mga layer ng mga hakbang, at ang molekular-level na hakbang at istraktura ng talahanayan ay nakuha. Kapag ang hilaw na materyal na gas ay ipinakilala, ang hilaw na materyal ay ibinibigay sa ibabaw ng SiC substrate, at ang hilaw na materyal na gumagalaw sa mesa ay nakunan ng mga hakbang sa pagkakasunud-sunod. Kapag ang nakuhang hilaw na materyal ay bumubuo ng isang kaayusan na naaayon sa kristal na polytype ngSiC substratesa kaukulang posisyon, matagumpay na namamana ng epitaxial layer ang partikular na crystal polytype ng SiC substrate.

Figure 1: Epitaxial growth ng SiC substrate na may off-angle (0001)

Siyempre, maaaring may mga problema sa teknolohiyang epitaxial growth na kinokontrol ng hakbang. Kapag ang mga kondisyon ng paglago ay hindi nakakatugon sa naaangkop na mga kondisyon, ang mga hilaw na materyales ay mag-nucleate at bubuo ng mga kristal sa mesa sa halip na sa mga hakbang, na hahantong sa paglaki ng iba't ibang mga polytype ng kristal, na nagiging sanhi ng perpektong epitaxial layer upang mabigong lumaki. Kung ang mga heterogenous na polytype ay lilitaw sa epitaxial layer, ang semiconductor device ay maaaring magkaroon ng mga nakamamatay na depekto. Samakatuwid, sa teknolohiyang epitaxial growth na kinokontrol ng hakbang, ang antas ng pagpapalihis ay dapat na idinisenyo upang maabot ang lapad ng hakbang sa isang makatwirang laki. Kasabay nito, ang konsentrasyon ng Si raw na materyales at C raw na materyales sa hilaw na materyal na gas, ang temperatura ng paglago at iba pang mga kondisyon ay dapat ding matugunan ang mga kondisyon para sa priyoridad na pagbuo ng mga kristal sa mga hakbang. Sa kasalukuyan, ang ibabaw ng pangunahing4H-type na SiC substratesa merkado ay nagpapakita ng isang 4° deflection angle (0001) surface, na maaaring matugunan ang parehong mga kinakailangan ng step-controlled epitaxial growth technology at pagtaas ng bilang ng mga wafer na nakuha mula sa boule.

Ang high-purity hydrogen ay ginagamit bilang carrier sa chemical vapor deposition method para sa SiC epitaxial growth, at ang Si raw na materyales tulad ng SiH4 at C raw na materyales gaya ng C3H8 ay input sa ibabaw ng SiC substrate na ang temperatura ng substrate ay palaging pinapanatili sa 1500-1600 ℃. Sa temperatura na 1500-1600°C, kung ang temperatura ng panloob na dingding ng kagamitan ay hindi sapat na mataas, ang kahusayan ng supply ng mga hilaw na materyales ay hindi mapapabuti, kaya kinakailangan na gumamit ng isang mainit na reaktor sa dingding. Maraming uri ng SiC epitaxial growth equipment, kabilang ang vertical, horizontal, multi-wafer at single-ostiyamga uri. Ipinapakita ng mga figure 2, 3 at 4 ang daloy ng gas at pagsasaayos ng substrate ng bahagi ng reaktor ng tatlong uri ng SiC epitaxial growth equipment.

Figure 2 Multi-chip rotation at revolution

Figure 3 Multi-chip revolution

Larawan 4 Single chip

Mayroong ilang mga pangunahing punto na dapat isaalang-alang upang makamit ang mass production ng SiC epitaxial substrates: pagkakapareho ng kapal ng epitaxial layer, pagkakapareho ng konsentrasyon ng doping, alikabok, ani, dalas ng pagpapalit ng bahagi, at kaginhawaan ng pagpapanatili. Kabilang sa mga ito, ang pagkakapareho ng konsentrasyon ng doping ay direktang makakaapekto sa pamamahagi ng resistensya ng boltahe ng aparato, kaya ang pagkakapareho ng ibabaw ng wafer, batch at batch ay napakataas. Bilang karagdagan, ang mga produkto ng reaksyon na nakakabit sa mga bahagi sa reaktor at ang sistema ng tambutso sa panahon ng proseso ng paglago ay magiging isang mapagkukunan ng alikabok, at kung paano maginhawang alisin ang mga alikabok na ito ay isang mahalagang direksyon ng pananaliksik.

Pagkatapos ng SiC epitaxial growth, isang high-purity SiC single crystal layer na maaaring magamit sa paggawa ng mga power device ay nakuha. Bilang karagdagan, sa pamamagitan ng paglaki ng epitaxial, ang basal plane dislocation (BPD) na umiiral sa substrate ay maaari ding ma-convert sa isang threading edge dislocation (TED) sa interface ng substrate/drift layer (tingnan ang Larawan 5). Kapag dumaloy ang isang bipolar current, ang BPD ay sasailalim sa stacking fault expansion, na magreresulta sa pagkasira ng mga katangian ng device gaya ng tumaas na on-resistance. Gayunpaman, pagkatapos ma-convert ang BPD sa TED, hindi maaapektuhan ang mga katangiang elektrikal ng device. Ang paglaki ng epitaxial ay maaaring makabuluhang bawasan ang pagkasira ng aparato na dulot ng bipolar current.

Figure 5: BPD ng SiC substrate bago at pagkatapos ng epitaxial growth at TED cross section pagkatapos ng conversion

Sa epitaxial growth ng SiC, ang isang buffer layer ay madalas na ipinapasok sa pagitan ng drift layer at ng substrate. Ang buffer layer na may mataas na konsentrasyon ng n-type na doping ay maaaring magsulong ng recombination ng minority carriers. Bilang karagdagan, ang buffer layer ay mayroon ding function ng basal plane dislocation (BPD) conversion, na may malaking epekto sa gastos at isang napakahalagang teknolohiya sa pagmamanupaktura ng device.