O que é crescimento epitaxial controlado por etapas？

Como uma das principais tecnologias para a preparação de dispositivos de energia SiC, a qualidade do epitaxia cultivada pela tecnologia de crescimento epitaxial do SIC afetará diretamente o desempenho dos dispositivos SiC. Atualmente, a tecnologia de crescimento epitaxial SiC mais convencional é a deposição de vapor químico (DCV).

Existem muitos politipos de cristal estável de SiC. Portanto, a fim de permitir que a camada de crescimento epitaxial obtida herde o politipo cristalino específico doSubstrato sic, é necessário transferir as informações tridimensionais do arranjo atômico do substrato para a camada de crescimento epitaxial, e isso requer alguns métodos especiais. Hiroyuki Matsunami, professor emérito da Universidade de Kyoto e outros propuseram uma tecnologia de crescimento epitaxial tão sic, que realiza deposição de vapor químico (DCV) no plano cristalino de baixo índice do substrato SiC em uma pequena direção fora do ângulo sob condições de crescimento apropriadas. Esse método técnico também é chamado de método de crescimento epitaxial controlado por etapa.

A Figura 1 mostra como realizar o crescimento epitaxial de SiC pelo método de crescimento epitaxial controlado por etapas. A superfície de um substrato de SiC limpo e fora do ângulo é formada em camadas de etapas, e a etapa de nível molecular e a estrutura da tabela são obtidas. Quando o gás da matéria-prima é introduzido, a matéria-prima é fornecida à superfície do substrato de SiC, e a matéria-prima que se move sobre a mesa é capturada pelas etapas sequenciais. Quando a matéria-prima capturada forma um arranjo consistente com o politipo cristalino doSubstrato sicna posição correspondente, a camada epitaxial herda com sucesso o politipo cristalino específico do substrato SiC.

Figura 1: Crescimento epitaxial do substrato SiC com ângulo fora do ângulo (0001)

É claro que pode haver problemas com a tecnologia de crescimento epitaxial controlado por etapas. Quando as condições de crescimento não atendem às condições adequadas, as matérias-primas irão nuclear e gerar cristais na mesa e não nos degraus, o que levará ao crescimento de diferentes politipos de cristais, fazendo com que a camada epitaxial ideal não cresça. Se aparecerem politipos heterogêneos na camada epitaxial, o dispositivo semicondutor pode ficar com defeitos fatais. Portanto, na tecnologia de crescimento epitaxial controlado por degraus, o grau de deflexão deve ser projetado para fazer com que a largura do degrau atinja um tamanho razoável. Ao mesmo tempo, a concentração de matérias-primas de Si e matérias-primas de C no gás da matéria-prima, a temperatura de crescimento e outras condições também devem atender às condições para a formação prioritária de cristais nas etapas. Actualmente, a superfície do principalSubstrato SiC do tipo 4HNo mercado, apresenta uma superfície de ângulo de deflexão de 4 ° (0001), que pode atender aos requisitos da tecnologia de crescimento epitaxial controlado por etapas e aumentar o número de bolachas obtidas no avenido.

O hidrogênio de alta pureza é usado como transportador no método de deposição química de vapor para o crescimento epitaxial de SiC, e matérias-primas de Si, como SiH4 e matérias-primas de C, como C3H8, são inseridas na superfície do substrato de SiC cuja temperatura do substrato é sempre mantida em 1500-1600℃. A uma temperatura de 1500-1600°C, se a temperatura da parede interna do equipamento não for alta o suficiente, a eficiência de fornecimento das matérias-primas não será melhorada, sendo necessário utilizar um reator de parede quente. Existem muitos tipos de equipamentos de crescimento epitaxial de SiC, incluindo vertical, horizontal, multi-wafer e single-bolachatipos. As figuras 2, 3 e 4 mostram o fluxo de gás e a configuração do substrato da parte do reator de três tipos de equipamentos de crescimento epitaxial do SiC.

Figura 2 Rotação e revolução multi-chip

Figura 3 Revolução multichip

Figura 4 Chip único

Existem vários pontos -chave a serem considerados para alcançar a produção em massa de substratos epitaxiais do SiC: uniformidade da espessura da camada epitaxial, uniformidade da concentração de doping, poeira, rendimento, frequência de substituição do componente e conveniência da manutenção. Entre eles, a uniformidade da concentração de doping afetará diretamente a distribuição de resistência à tensão do dispositivo; portanto, a uniformidade da superfície da wafer, lote e lote é muito alta. Além disso, os produtos de reação ligados aos componentes no reator e ao sistema de escape durante o processo de crescimento se tornarão uma fonte de poeira e como remover convenientemente essas poeiras também é uma importante direção de pesquisa.

Após o crescimento epitaxial do SiC, é obtida uma camada de cristal único de SiC de alta pureza que pode ser usada para fabricar dispositivos de energia. Além disso, através do crescimento epitaxial, a luxação do plano basal (BPD) existente no substrato também pode ser convertida em uma luxação da borda rosqueada (TED) na interface substrato/camada de deriva (ver Figura 5). Quando uma corrente bipolar flui, o BPD sofrerá expansão de falha de empilhamento, resultando na degradação das características do dispositivo, como aumento da resistência. Porém, após a conversão do BPD para TED, as características elétricas do dispositivo não serão afetadas. O crescimento epitaxial pode reduzir significativamente a degradação do dispositivo causada pela corrente bipolar.

Figura 5: BPD do substrato SiC antes e após o crescimento epitaxial e a seção transversal do TED após a conversão

No crescimento epitaxial do SiC, uma camada de tampão é frequentemente inserida entre a camada de deriva e o substrato. A camada tampão com alta concentração de doping do tipo N pode promover a recombinação de portadores minoritários. Além disso, a camada de buffer também tem a função da conversão de luxação plana basal (BPD), que tem um impacto considerável no custo e é uma tecnologia de fabricação de dispositivos muito importante.