Osnovno uvođenje SiC epitaksijalnog procesa rasta

Epitaksijalni sloj je specifičan monokristalni film koji se uzgaja na pločici epitaksijalnim postupkom, a podloga i epitaksijalni film se nazivaju epitaksijalna pločica. Uzgajanjem epitaksijalnog sloja od silicijum karbida na vodljivoj podlozi od silicijum karbida, homogena epitaksijalna ploča od silicijum karbida može se dalje pripremiti u Šotkijeve diode, MOSFET, IGBT i druge energetske uređaje, među kojima je najčešće korišćena 4H-SiC supstrata.

Zbog različitog procesa proizvodnje uređaja za napajanje od silicijum karbida i tradicionalnog uređaja za napajanje silikona, ne može se direktno proizvesti na monokristalnom materijalu od silicijum karbida. Na provodljivoj monokristalnoj podlozi moraju se uzgajati dodatni visokokvalitetni epitaksijalni materijali, a na epitaksijalnom sloju se moraju proizvoditi različiti uređaji. Stoga kvalitet epitaksijalnog sloja ima veliki utjecaj na performanse uređaja. Poboljšanje performansi različitih energetskih uređaja postavlja i veće zahtjeve za debljinom epitaksijalnog sloja, koncentracijom dopinga i defektima.

Fig. 1. Odnos između koncentracije dopinga i debljine epitaksijalnog sloja unipolarnog uređaja i napona blokiranja

Metode pripreme SIC epitaksijalnog sloja uglavnom uključuju metodu rasta isparavanjem, epitaksijalni rast u tečnoj fazi (LPE), epitaksijalni rast molekularnog snopa (MBE) i hemijsko taloženje pare (CVD). Trenutno je hemijsko taloženje pare (CVD) glavna metoda koja se koristi za proizvodnju velikih razmera u fabrikama.

Fig. 2. Poređenje glavnih metoda pripreme epitaksijalnog sloja

Na podlozi izvan osi {0001} sa određenim uglom nagiba, kao što je prikazano na slici 2(b), gustina površine stepenica je veća, a veličina površine stepenica je manja, a nukleaciju kristala nije lako javljaju se na površini stepenica, ali se češće javljaju na mjestu spajanja stepenica. U ovom slučaju, postoji samo jedan nukleacijski ključ. Stoga, epitaksijalni sloj može savršeno replicirati redoslijed slaganja supstrata, čime se eliminira problem koegzistencije više tipova.

Fig. 3. Dijagram fizičkog procesa 4H-SiC metode step control epitaksije

Fig. 4. Kritični uslovi za rast CVD metodom epitaksije 4H-SiC stepenasto kontroliranom

Fig. 5. Poređenje stopa rasta pod različitim izvorima silicija u 4H-SiC epitaksiji

Trenutno je tehnologija epitaksije silicijum karbidom relativno zrela u aplikacijama niskog i srednjeg napona (kao što su uređaji od 1200 volti). Ujednačenost debljine, ujednačenost koncentracije dopinga i distribucija defekta epitaksijalnog sloja mogu dostići relativno dobar nivo, što u osnovi može zadovoljiti potrebe srednjeg i niskog napona SBD (Schottky dioda), MOS (metal oksid poluvodički tranzistor sa efektom polja), JBS ( spojna dioda) i drugi uređaji.

Međutim, u području visokog tlaka, epitaksijalne pločice još uvijek moraju savladati mnoge izazove. Na primjer, za uređaje koji trebaju izdržati 10.000 volti, debljina epitaksijalnog sloja treba biti oko 100 μm. U poređenju sa niskonaponskim uređajima, debljina epitaksijalnog sloja i ujednačenost koncentracije dopinga su mnogo različite, posebno ujednačenost koncentracije dopinga. U isto vrijeme, trokut defekt u epitaksijalnom sloju će također uništiti ukupne performanse uređaja. U visokonaponskim aplikacijama, tipovi uređaja imaju tendenciju da koriste bipolarne uređaje, koji zahtijevaju dug životni vijek manjine u epitaksijalnom sloju, tako da proces treba optimizirati kako bi se poboljšao vijek trajanja manjine.

Trenutno je domaća epitaksija uglavnom 4 inča i 6 inča, a udio epitaksije velike veličine silicijum karbida raste iz godine u godinu. Veličina epitaksijalne ploče od silicijum karbida uglavnom je ograničena veličinom podloge od silicijum karbida. Trenutno je supstrat od silicijum karbida od 6 inča komercijalizovan, tako da epitaksijal od silicijum karbida postepeno prelazi sa 4 inča na 6 inča. Uz kontinuirano poboljšanje tehnologije pripreme podloge od silicijum karbida i proširenje kapaciteta, cijena supstrata od silicijum karbida postepeno se smanjuje. U sastavu cijene epitaksijalne ploče supstrat čini više od 50% cijene, pa se sa padom cijene podloge očekuje i pad cijene epitaksijalne ploče od silicijum karbida.