SiC epitaksiālās augšanas procesa pamatievads

Epitaksiskais slānis ir īpaša monokristāla plēve, kas uzaudzēta uz plāksnītes ar epitaksiālo procesu, un substrāta plāksnīte un epitaksiālā plēve tiek saukta par epitaksiālo plāksni. Audzējot silīcija karbīda epitaksiālo slāni uz vadoša silīcija karbīda substrāta, silīcija karbīda homogēno epitaksiālo plāksni var tālāk sagatavot Šotkija diodēs, MOSFET, IGBT un citās barošanas ierīcēs, starp kurām visbiežāk tiek izmantots 4H-SiC substrāts.

Silīcija karbīda barošanas ierīces un tradicionālās silīcija barošanas ierīces atšķirīgā ražošanas procesa dēļ to nevar tieši izgatavot no silīcija karbīda monokristāla materiāla. Uz vadoša monokristāla substrāta jāaudzē papildu augstas kvalitātes epitaksiālie materiāli, un uz epitaksiālā slāņa jāizgatavo dažādas ierīces. Tāpēc epitaksiskā slāņa kvalitātei ir liela ietekme uz ierīces veiktspēju. Dažādu jaudas ierīču veiktspējas uzlabošana izvirza arī augstākas prasības epitaksiskā slāņa biezumam, dopinga koncentrācijai un defektiem.

Zīm. 1. Saistība starp dopinga koncentrāciju un unipolārās ierīces epitaksiālā slāņa biezumu un bloķēšanas spriegumu

SIC epitaksiālā slāņa sagatavošanas metodes galvenokārt ietver iztvaikošanas augšanas metodi, šķidrās fāzes epitaksiālo augšanu (LPE), molekulārā stara epitaksiālo augšanu (MBE) un ķīmisko tvaiku nogulsnēšanos (CVD). Pašlaik ķīmiskā tvaiku pārklāšana (CVD) ir galvenā metode, ko izmanto liela mēroga ražošanai rūpnīcās.

Zīm. 2. Epitaksiskā slāņa galveno sagatavošanas metožu salīdzinājums

Uz ārpusass {0001} substrāta ar noteiktu slīpuma leņķi, kā parādīts 2(b) attēlā, pakāpiena virsmas blīvums ir lielāks, pakāpiena virsmas izmērs ir mazāks, un kristāla kodolu veidošanos nav viegli veikt. rodas uz pakāpiena virsmas, bet biežāk notiek pakāpiena saplūšanas punktā. Šajā gadījumā ir tikai viena kodola atslēga. Tāpēc epitaksiālais slānis var lieliski atkārtot substrāta sakraušanas secību, tādējādi novēršot vairāku veidu līdzāspastāvēšanas problēmu.

Zīm. 3. 4H-SiC soļu kontroles epitaksijas metodes fizikālā procesa diagramma

Zīm. 4. Kritiskie nosacījumi CVD augšanai ar 4H-SiC pakāpeniski kontrolētu epitaksijas metodi

Zīm. 5. Augšanas ātruma salīdzinājums pie dažādiem silīcija avotiem 4H-SiC epitaksijā

Pašlaik silīcija karbīda epitaksijas tehnoloģija ir salīdzinoši nobriedusi zema un vidēja sprieguma lietojumos (piemēram, 1200 voltu ierīcēs). Epitaksiskā slāņa biezuma vienmērīgums, dopinga koncentrācijas vienmērīgums un defektu sadalījums var sasniegt salīdzinoši labu līmeni, kas būtībā var apmierināt vidēja un zema sprieguma SBD (Šotkija diode), MOS (metāla oksīda pusvadītāju lauka efekta tranzistors), JBS ( savienojuma diode) un citas ierīces.

Tomēr augsta spiediena jomā epitaksiālajām plāksnēm joprojām ir jāpārvar daudzas problēmas. Piemēram, ierīcēm, kurām ir jāiztur 10 000 voltu, epitaksiskā slāņa biezumam jābūt aptuveni 100 μm. Salīdzinot ar zemsprieguma ierīcēm, epitaksiskā slāņa biezums un dopinga koncentrācijas vienmērīgums ir daudz atšķirīgs, īpaši dopinga koncentrācijas viendabīgums. Tajā pašā laikā trīsstūra defekts epitaksiālajā slānī iznīcinās arī ierīces kopējo veiktspēju. Augstsprieguma lietojumos ierīču tipiem ir tendence izmantot bipolāras ierīces, kurām epitaksiskajā slānī ir nepieciešams liels mazākuma kalpošanas laiks, tāpēc process ir jāoptimizē, lai uzlabotu mazākuma kalpošanas laiku.

Pašlaik iekšzemes epitaksija galvenokārt ir 4 collas un 6 collas, un liela izmēra silīcija karbīda epitaksijas īpatsvars katru gadu palielinās. Silīcija karbīda epitaksiālās loksnes izmēru galvenokārt ierobežo silīcija karbīda substrāta izmērs. Pašlaik 6 collu silīcija karbīda substrāts ir komercializēts, tāpēc silīcija karbīda epitaksiālais slānis pakāpeniski pāriet no 4 collām uz 6 collām. Nepārtraukti uzlabojot silīcija karbīda substrāta sagatavošanas tehnoloģiju un palielinot jaudu, silīcija karbīda substrāta cena pakāpeniski samazinās. Epitaksiālās loksnes cenas sastāvā substrāts veido vairāk nekā 50% no izmaksām, tāpēc, samazinoties substrāta cenai, sagaidāms, ka samazināsies arī silīcija karbīda epitaksiālās loksnes cena.