Osnovni uvod v proces epitaksialne rasti SiC

Epitaksialna plast je specifičen monokristalni film, zraščen na rezini z epitaksialnim postopkom, substratna rezina in epitaksialni film pa se imenujeta epitaksialna rezina. Z gojenjem epitaksialne plasti silicijevega karbida na prevodnem substratu iz silicijevega karbida je mogoče homogeno epitaksialno rezino iz silicijevega karbida nadalje pripraviti v Schottky diode, MOSFET-je, IGBT-je in druge močnostne naprave, med katerimi je najpogosteje uporabljen substrat 4H-SiC.

Zaradi različnih proizvodnih procesov napajalne naprave iz silicijevega karbida in tradicionalne napajalne naprave iz silicijevega karbida je ni mogoče neposredno izdelati na monokristalnem materialu iz silicijevega karbida. Na prevodnem monokristalnem substratu je treba gojiti dodatne visokokakovostne epitaksialne materiale in na epitaksialni plasti izdelati različne naprave. Zato ima kakovost epitaksialne plasti velik vpliv na delovanje naprave. Izboljšanje zmogljivosti različnih močnostnih naprav postavlja tudi višje zahteve glede debeline epitaksialne plasti, koncentracije dopinga in napak.

FIG. 1. Razmerje med koncentracijo dopinga in debelino epitaksialne plasti unipolarne naprave ter blokirno napetostjo

Metode priprave epitaksialne plasti SIC vključujejo predvsem metodo rasti z izparevanjem, epitaksialno rast v tekoči fazi (LPE), epitaksialno rast z molekularnim žarkom (MBE) in nanašanje s kemično paro (CVD). Trenutno je kemično naparjevanje (CVD) glavna metoda, ki se uporablja za obsežno proizvodnjo v tovarnah.

FIG. 2. Primerjava glavnih metod priprave epitaksialne plasti

Na substratu zunaj osi {0001} z določenim kotom nagiba, kot je prikazano na sliki 2(b), je gostota površine stopnice večja, velikost površine stopnice pa manjša, zato nukleacije kristalov ni enostavno se pojavijo na površini stopnice, pogosteje pa se pojavijo na točki spajanja stopnice. V tem primeru obstaja samo en nukleacijski ključ. Zato lahko epitaksialna plast popolnoma posnema vrstni red zlaganja substrata in tako odpravi problem soobstoja več vrst.

FIG. 3. Fizični procesni diagram 4H-SiC stopenjske metode epitaksije

FIG. 4. Kritični pogoji za rast CVD s stopenjsko nadzorovano metodo epitaksije 4H-SiC

FIG. 5. Primerjava stopenj rasti pri različnih virih silicija pri epitaksiji 4H-SiC

Trenutno je tehnologija epitaksije s silicijevim karbidom razmeroma zrela pri nizko- in srednjenapetostnih aplikacijah (kot so 1200-voltne naprave). Enotnost debeline, enakomernost koncentracije dopinga in porazdelitev napak epitaksialne plasti lahko dosežejo razmeroma dobro raven, ki lahko v bistvu zadosti potrebam srednje in nizkonapetostnih SBD (Schottky dioda), MOS (metal oxide semiconductor field effect tranzistor), JBS ( spojna dioda) in druge naprave.

Vendar pa morajo epitaksialne rezine na področju visokega tlaka premagati številne izzive. Na primer, za naprave, ki morajo prenesti 10.000 voltov, mora biti debelina epitaksialne plasti približno 100 μm. V primerjavi z nizkonapetostnimi napravami sta debelina epitaksialne plasti in enakomernost koncentracije dopinga precej drugačni, zlasti enakomernost koncentracije dopinga. Hkrati bo napaka trikotnika v epitaksialni plasti tudi uničila celotno delovanje naprave. V visokonapetostnih aplikacijah vrste naprav običajno uporabljajo bipolarne naprave, ki zahtevajo visoko življenjsko dobo manjšine v epitaksialni plasti, zato je treba postopek optimizirati, da se izboljša življenjska doba manjšine.

Trenutno je domača epitaksija v glavnem 4 in 6 palcev, delež epitaksije velikih velikosti iz silicijevega karbida pa se iz leta v leto povečuje. Velikost epitaksialne plošče iz silicijevega karbida je v glavnem omejena z velikostjo substrata iz silicijevega karbida. Trenutno je 6-palčni substrat iz silicijevega karbida komercializiran, tako da epitaksija iz silicijevega karbida postopoma prehaja s 4 palcev na 6 palcev. Z nenehnim izboljševanjem tehnologije priprave substrata iz silicijevega karbida in širitvijo zmogljivosti se cena substrata iz silicijevega karbida postopoma znižuje. V sestavi cene epitaksialne plošče substrat predstavlja več kot 50 % stroškov, zato naj bi se z znižanjem cene substrata znižala tudi cena epitaksialne plošče iz silicijevega karbida.