Τι είναι η επιταξιακή ανάπτυξη ελεγχόμενη με βήμα;

Ως μία από τις βασικές τεχνολογίες για την παρασκευή συσκευών ισχύος SIC, η ποιότητα της επιταξίας που αναπτύσσεται από την τεχνολογία επιταξιακής ανάπτυξης SIC θα επηρεάσει άμεσα την απόδοση των συσκευών SIC. Επί του παρόντος, η πιο συνηθισμένη τεχνολογία επιταξιακής ανάπτυξης SIC είναι η εναπόθεση χημικών ατμών (CVD).

Υπάρχουν πολλοί σταθεροί κρυστάλλοι πολυμερούς του SIC. Επομένως, προκειμένου να μπορέσουμε να ληφθεί το επιταξιακό στρώμα ανάπτυξης για να κληρονομήσει τον συγκεκριμένο πολυσύνοντα κρυστάλλου τουΥπόστρωμα SIC, είναι απαραίτητο να μεταφερθούν οι τρισδιάστατες πληροφορίες ατομικής διάταξης του υποστρώματος στο επιταξιακό στρώμα ανάπτυξης και αυτό απαιτεί ορισμένες ειδικές μεθόδους. Ο Hiroyuki Matsunami, επίτιμος καθηγητής του Πανεπιστημίου του Κιότο, και άλλοι πρότειναν μια τέτοια τεχνολογία επιταξιακής ανάπτυξης SiC, η οποία εκτελεί εναπόθεση χημικών ατμών (CVD) στο κρυσταλλικό επίπεδο χαμηλού δείκτη του υποστρώματος SiC σε μια μικρή διεύθυνση εκτός γωνίας υπό κατάλληλες συνθήκες ανάπτυξης. Αυτή η τεχνική μέθοδος ονομάζεται επίσης μέθοδος επιταξιακής ανάπτυξης ελεγχόμενης σταδίου.

Το Σχήμα 1 δείχνει τον τρόπο εκτέλεσης της επιταξιακής ανάπτυξης SiC με τη μέθοδο επιταξιακής ανάπτυξης ελεγχόμενης σταδιακά. Η επιφάνεια ενός καθαρού και εκτός γωνίας υποστρώματος SiC διαμορφώνεται σε στρώματα βαθμίδων και προκύπτει η δομή του βήματος και του τραπεζιού σε μοριακό επίπεδο. Όταν εισάγεται το αέριο πρώτης ύλης, η πρώτη ύλη παρέχεται στην επιφάνεια του υποστρώματος SiC και η πρώτη ύλη που κινείται στο τραπέζι συλλαμβάνεται από τα βήματα στη σειρά. Όταν η συλληφθείσα πρώτη ύλη σχηματίζει μια διάταξη σύμφωνη με τον κρυσταλλικό πολυτύπο τουΥπόστρωμα SICστην αντίστοιχη θέση, το επιταξιακό στρώμα κληρονομεί με επιτυχία τον συγκεκριμένο κρυσταλλικό πολυτύπο του υποστρώματος SiC.

Εικόνα 1: Επιταξική ανάπτυξη του υποστρώματος SIC με εκτός γωνίας (0001)

Φυσικά, μπορεί να υπάρχουν προβλήματα με την τεχνολογία επιταξιακής ανάπτυξης ελεγχόμενης βήματος. Όταν οι συνθήκες ανάπτυξης δεν πληρούν τις κατάλληλες συνθήκες, οι πρώτες ύλες θα πυρηνωθούν και θα δημιουργήσουν κρυστάλλους στο τραπέζι και όχι στα σκαλοπάτια, γεγονός που θα οδηγήσει στην ανάπτυξη διαφορετικών πολυτύπων κρυστάλλων, προκαλώντας την αποτυχία ανάπτυξης του ιδανικού επιταξιακού στρώματος. Εάν εμφανιστούν ετερογενείς πολυτύποι στο επιταξιακό στρώμα, η συσκευή ημιαγωγών μπορεί να παραμείνει με θανατηφόρα ελαττώματα. Επομένως, στην τεχνολογία επιταξιακής ανάπτυξης με ελεγχόμενη βαθμίδα, ο βαθμός εκτροπής πρέπει να σχεδιαστεί έτσι ώστε το πλάτος του βήματος να φτάσει σε λογικό μέγεθος. Ταυτόχρονα, η συγκέντρωση πρώτων υλών Si και πρώτων υλών C στο αέριο πρώτης ύλης, η θερμοκρασία ανάπτυξης και άλλες συνθήκες πρέπει επίσης να πληρούν τις προϋποθέσεις για τον σχηματισμό κατά προτεραιότητα κρυστάλλων στα σκαλοπάτια. Προς το παρόν, η επιφάνεια του κύριουΥπόστρωμα SIC τύπου 4HΣτην αγορά παρουσιάζει μια επιφάνεια γωνίας εκτροπής 4 ° (0001), η οποία μπορεί να ανταποκριθεί τόσο στις απαιτήσεις της τεχνολογίας επιταξιακής ανάπτυξης που ελέγχεται από το βήμα όσο και στην αύξηση του αριθμού των πλακιδίων που λαμβάνονται από τη λεωφόρο.

Το υδρογόνο υψηλής καθαρότητας χρησιμοποιείται ως φορέας στη μέθοδο εναπόθεσης χημικών ατμών για την επιταξιακή ανάπτυξη και οι πρώτες ύλες SI όπως SIH4 και C πρώτες ύλες όπως το C3H8 εισάγονται στην επιφάνεια του υποστρώματος SIC, του οποίου η θερμοκρασία του υποστρώματος διατηρείται πάντα στο 1500-1600 ℃. Σε θερμοκρασία 1500-1600 ° C, εάν η θερμοκρασία του εσωτερικού τοιχώματος του εξοπλισμού δεν είναι αρκετά υψηλή, η αποτελεσματικότητα της τροφοδοσίας των πρώτων υλών δεν θα βελτιωθεί, οπότε είναι απαραίτητο να χρησιμοποιηθεί ένας αντιδραστήρας θερμού τοίχου. Υπάρχουν πολλοί τύποι εξοπλισμού επιταξιακής ανάπτυξης SIC, συμπεριλαμβανομένου του κατακόρυφου, οριζόντιου, πολλαπλού και μονού-όστιατύποι. Τα Σχήματα 2, 3 και 4 δείχνουν τη ροή αερίου και τη διαμόρφωση του υποστρώματος του τμήματος αντιδραστήρα τριών τύπων εξοπλισμού επιταξιακής ανάπτυξης SIC.

Εικόνα 2 περιστροφή και επανάσταση πολλαπλών τσιπ

Εικόνα 3 Επανάσταση πολλαπλών τσιπ

Εικόνα 4 Ενιαίο τσιπ

Υπάρχουν πολλά βασικά σημεία που πρέπει να ληφθούν υπόψη για να επιτευχθεί μαζική παραγωγή επιταξιακών υποστρωμάτων SiC: ομοιομορφία πάχους επιταξιακού στρώματος, ομοιομορφία συγκέντρωσης ντόπινγκ, σκόνη, απόδοση, συχνότητα αντικατάστασης εξαρτημάτων και ευκολία συντήρησης. Μεταξύ αυτών, η ομοιομορφία της συγκέντρωσης ντόπινγκ θα επηρεάσει άμεσα την κατανομή αντίστασης τάσης της συσκευής, επομένως η ομοιομορφία της επιφάνειας, της παρτίδας και της παρτίδας του πλακιδίου είναι πολύ υψηλή. Επιπλέον, τα προϊόντα αντίδρασης που συνδέονται με τα εξαρτήματα στον αντιδραστήρα και στο σύστημα εξάτμισης κατά τη διάρκεια της διαδικασίας ανάπτυξης θα γίνουν πηγή σκόνης και ο τρόπος με τον οποίο αφαιρούνται εύκολα αυτές οι σκόνες είναι επίσης μια σημαντική ερευνητική κατεύθυνση.

Μετά την επιταξιακή ανάπτυξη του SiC, λαμβάνεται ένα στρώμα μονού κρυστάλλου SiC υψηλής καθαρότητας που μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την κατασκευή συσκευών ισχύος. Επιπλέον, μέσω της επιταξιακής ανάπτυξης, η εξάρθρωση βασικού επιπέδου (BPD) που υπάρχει στο υπόστρωμα μπορεί επίσης να μετατραπεί σε εξάρθρωση ακμής σπειρώματος (TED) στη διεπιφάνεια υποστρώματος/στρώματος μετατόπισης (βλ. Εικόνα 5). Όταν διαρρέει ένα διπολικό ρεύμα, το BPD θα υποστεί διαστολή σφάλματος στοίβαξης, με αποτέλεσμα την υποβάθμιση των χαρακτηριστικών της συσκευής, όπως η αυξημένη αντίσταση κατά τη διάρκεια της λειτουργίας. Ωστόσο, μετά τη μετατροπή του BPD σε TED, τα ηλεκτρικά χαρακτηριστικά της συσκευής δεν θα επηρεαστούν. Η επιταξιακή ανάπτυξη μπορεί να μειώσει σημαντικά την υποβάθμιση της συσκευής που προκαλείται από το διπολικό ρεύμα.

Εικόνα 5: BPD του SIC υπόστρωμα πριν και μετά από επιταξιακή ανάπτυξη και διατομή TED μετά τη μετατροπή

Στην επιταξιακή ανάπτυξη του SiC, ένα ρυθμιστικό στρώμα εισάγεται συχνά μεταξύ του στρώματος μετατόπισης και του υποστρώματος. Το ρυθμιστικό στρώμα με υψηλή συγκέντρωση ντόπινγκ τύπου n μπορεί να προάγει τον ανασυνδυασμό φορέων μειοψηφίας. Επιπλέον, το στρώμα απομόνωσης έχει επίσης τη λειτουργία μετατροπής βασικού επιπέδου εξάρθρωσης (BPD), η οποία έχει σημαντικό αντίκτυπο στο κόστος και είναι μια πολύ σημαντική τεχνολογία κατασκευής συσκευών.