Základné predstavenie procesu epitaxného rastu SiC

Epitaxná vrstva je špecifický monokryštálový film pestovaný na plátku epitaxným procesom a substrátový plátok a epitaxný film sa nazývajú epitaxný plátok.Pestovaním epitaxnej vrstvy karbidu kremíka na vodivom substráte karbidu kremíka možno homogénny epitaxiálny plátok karbidu kremíka ďalej pripraviť na Schottkyho diódy, MOSFETy, IGBT a ďalšie výkonové zariadenia, medzi ktorými sa najčastejšie používa substrát 4H-SiC.

Kvôli odlišnému výrobnému procesu výkonového zariadenia z karbidu kremíka a tradičného výkonového zariadenia kremíka ho nemožno priamo vyrobiť na monokryštálovom materiáli karbidu kremíka.Na vodivom monokryštálovom substráte sa musia pestovať ďalšie vysokokvalitné epitaxné materiály a na epitaxiálnej vrstve sa musia vyrábať rôzne zariadenia.Preto kvalita epitaxnej vrstvy má veľký vplyv na výkon zariadenia.Zlepšenie výkonu rôznych energetických zariadení tiež kladie vyššie požiadavky na hrúbku epitaxnej vrstvy, koncentráciu dopingu a defekty.

Obr.1. Vzťah medzi koncentráciou dopingu a hrúbkou epitaxnej vrstvy unipolárneho zariadenia a blokujúcim napätím

Metódy prípravy SIC epitaxnej vrstvy zahŕňajú hlavne metódu rastu odparovaním, epitaxiálny rast v kvapalnej fáze (LPE), epitaxiálny rast molekulárnym lúčom (MBE) a chemickú depozíciu z pár (CVD).V súčasnosti je chemická depozícia z pár (CVD) hlavnou metódou používanou pri veľkovýrobe v továrňach.

Obr.2. Porovnanie hlavných metód prípravy epitaxnej vrstvy

Na mimoosovom substráte {0001} s určitým uhlom naklonenia, ako je znázornené na obrázku 2(b), je hustota povrchu schodíka väčšia a veľkosť povrchu schodíka je menšia a kryštálová nukleácia nie je jednoduchá. sa vyskytujú na povrchu stupňa, ale častejšie sa vyskytujú v mieste spájania stupňa.V tomto prípade existuje iba jeden nukleačný kľúč.Preto môže epitaxná vrstva dokonale replikovať poradie ukladania substrátu, čím sa eliminuje problém koexistencie viacerých typov.

Obr.3. Schéma fyzikálneho procesu 4H-SiC krokovej riadiacej epitaxie

Obr.4. Kritické podmienky pre rast CVD metódou 4H-SiC krokovo riadenej epitaxie

Obr.5. Porovnanie rýchlostí rastu pod rôznymi zdrojmi kremíka v 4H-SiC epitaxii

V súčasnosti je technológia epitaxie karbidu kremíka relatívne vyspelá v aplikáciách s nízkym a stredným napätím (ako sú 1200 voltové zariadenia).Rovnomernosť hrúbky, rovnomernosť koncentrácie dopingu a distribúcia defektov epitaxnej vrstvy môže dosiahnuť relatívne dobrú úroveň, ktorá v zásade môže uspokojiť potreby stredno- a nízkonapäťových SBD (Schottkyho dióda), MOS (tranzistor s polovodičovým poľom s oxidom kovu), JBS ( spojovacia dióda) a ďalšie zariadenia.

Avšak v oblasti vysokého tlaku musia epitaxné doštičky stále prekonať mnohé výzvy.Napríklad pre zariadenia, ktoré musia vydržať 10 000 voltov, musí byť hrúbka epitaxnej vrstvy približne 100 μm.V porovnaní s nízkonapäťovými zariadeniami sa hrúbka epitaxnej vrstvy a rovnomernosť koncentrácie dopingu značne líšia, najmä rovnomernosť koncentrácie dopingu.Zároveň trojuholníkový defekt v epitaxnej vrstve zničí aj celkový výkon zariadenia.Vo vysokonapäťových aplikáciách majú typy zariadení tendenciu používať bipolárne zariadenia, ktoré vyžadujú vysokú životnosť menšiny v epitaxnej vrstve, takže proces je potrebné optimalizovať, aby sa životnosť menšiny zlepšila.

V súčasnosti je domáca epitaxia hlavne 4 palce a 6 palcov a podiel veľkých epitaxií karbidu kremíka sa z roka na rok zvyšuje.Veľkosť epitaxnej fólie karbidu kremíka je obmedzená hlavne veľkosťou substrátu karbidu kremíka.V súčasnosti sa komercializuje 6-palcový substrát karbidu kremíka, takže epitaxný povrch karbidu kremíka postupne prechádza zo 4 palcov na 6 palcov.S neustálym zlepšovaním technológie prípravy substrátu z karbidu kremíka a rozširovaním kapacity sa cena substrátu z karbidu kremíka postupne znižuje.V zložení ceny epitaxnej fólie substrát predstavuje viac ako 50 % nákladov, takže s poklesom ceny substrátu sa očakáva aj pokles ceny epitaxnej fólie z karbidu kremíka.