Pengenalan Asas Proses Pertumbuhan Epitaxial SiC

Lapisan epitaxial ialah filem kristal tunggal khusus yang ditanam pada wafer melalui proses ep·itaxial, dan wafer substrat dan filem epitaxial dipanggil wafer epitaxial. Dengan mengembangkan lapisan epitaxial silikon karbida pada substrat silikon karbida konduktif, wafer epitaxial homogen silikon karbida boleh disediakan lagi ke dalam diod Schottky, MOSFET, IGBT dan peranti kuasa lain, antaranya substrat 4H-SiC adalah yang paling biasa digunakan.

Kerana proses pembuatan peranti kuasa silikon karbida yang berbeza dan peranti kuasa silikon tradisional, ia tidak boleh dibuat secara langsung pada bahan kristal tunggal silikon karbida. Bahan epitaxial berkualiti tinggi tambahan mesti ditanam pada substrat kristal tunggal konduktif, dan pelbagai peranti mesti dihasilkan pada lapisan epitaxial. Oleh itu, kualiti lapisan epitaxial mempunyai pengaruh yang besar terhadap prestasi peranti. Peningkatan prestasi peranti kuasa yang berbeza juga mengemukakan keperluan yang lebih tinggi untuk ketebalan lapisan epitaxial, kepekatan doping dan kecacatan.

Gbr. 1. Hubungan antara kepekatan doping dan ketebalan lapisan epitaxial peranti unipolar dan voltan menyekat

Kaedah penyediaan lapisan epitaxial SIC terutamanya termasuk kaedah pertumbuhan sejatan, pertumbuhan epitaxial fasa cecair (LPE), pertumbuhan epitaxial rasuk molekul (MBE) dan pemendapan wap kimia (CVD). Pada masa ini, pemendapan wap kimia (CVD) adalah kaedah utama yang digunakan untuk pengeluaran berskala besar di kilang.

Gbr. 2. Perbandingan kaedah penyediaan utama lapisan epitaxial

Pada substrat luar paksi {0001} dengan Sudut kecondongan tertentu, seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 2(b), ketumpatan permukaan langkah lebih besar, dan saiz permukaan langkah lebih kecil, dan nukleasi hablur tidak mudah untuk berlaku pada permukaan langkah, tetapi lebih kerap berlaku pada titik penggabungan langkah. Dalam kes ini, hanya terdapat satu kunci nukleus. Oleh itu, lapisan epitaxial dapat meniru susunan susunan substrat dengan sempurna, dengan itu menghapuskan masalah kewujudan bersama pelbagai jenis.

Gbr. 3. Gambar rajah proses fizikal kaedah epitaksi kawalan langkah 4H-SiC

Gbr. 4. Keadaan kritikal untuk pertumbuhan CVD dengan kaedah epitaksi terkawal langkah 4H-SiC

Gbr. 5. Perbandingan kadar pertumbuhan di bawah sumber silikon yang berbeza dalam epitaksi 4H-SiC

Pada masa ini, teknologi epitaksi silikon karbida agak matang dalam aplikasi voltan rendah dan sederhana (seperti peranti 1200 volt). Keseragaman ketebalan, keseragaman kepekatan doping dan pengagihan kecacatan lapisan epitaxial boleh mencapai tahap yang agak baik, yang pada asasnya dapat memenuhi keperluan SBD (diod Schottky) voltan tengah dan rendah, MOS (transistor kesan medan semikonduktor oksida logam), JBS ( diod simpang) dan peranti lain.

Walau bagaimanapun, dalam bidang tekanan tinggi, wafer epitaxial masih perlu mengatasi banyak cabaran. Sebagai contoh, untuk peranti yang perlu menahan 10,000 volt, ketebalan lapisan epitaxial perlu kira-kira 100μm. Berbanding dengan peranti voltan rendah, ketebalan lapisan epitaxial dan keseragaman kepekatan doping adalah jauh berbeza, terutamanya keseragaman kepekatan doping. Pada masa yang sama, kecacatan segi tiga pada lapisan epitaxial juga akan memusnahkan prestasi keseluruhan peranti. Dalam aplikasi voltan tinggi, jenis peranti cenderung menggunakan peranti bipolar, yang memerlukan hayat minoriti yang tinggi dalam lapisan epitaxial, jadi proses itu perlu dioptimumkan untuk meningkatkan hayat minoriti.

Pada masa ini, epitaksi domestik adalah terutamanya 4 inci dan 6 inci, dan bahagian epitaksi silikon karbida bersaiz besar meningkat dari tahun ke tahun. Saiz lembaran epitaxial silikon karbida dihadkan terutamanya oleh saiz substrat silikon karbida. Pada masa ini, substrat silikon karbida 6 inci telah dikomersialkan, jadi epitaxial silikon karbida secara beransur-ansur beralih daripada 4 inci kepada 6 inci. Dengan peningkatan berterusan teknologi penyediaan substrat silikon karbida dan pengembangan kapasiti, harga substrat silikon karbida semakin berkurangan. Dalam komposisi harga lembaran epitaxial, substrat menyumbang lebih daripada 50% daripada kos, jadi dengan penurunan harga substrat, harga lembaran epitaxial silikon karbida juga dijangka menurun.