¿Qué es el crecimiento epitaxial controlado por pasos?

Como una de las tecnologías centrales para la preparación de dispositivos de potencia de SiC, la calidad de la epitaxia cultivada mediante la tecnología de crecimiento epitaxial de SiC afectará directamente el rendimiento de los dispositivos de SiC. En la actualidad, la tecnología de crecimiento epitaxial de SiC más utilizada es la deposición química de vapor (CVD).

Hay muchos politipos cristalinos estables de SiC. Por lo tanto, para permitir que la capa de crecimiento epitaxial obtenida herede el politipo cristalino específico delSustrato sic, es necesario transferir la información de disposición atómica tridimensional del sustrato a la capa de crecimiento epitaxial, y esto requiere algunos métodos especiales. Hiroyuki Matsunami, profesor emérito de la Universidad de Kyoto, y otros propusieron una tecnología de crecimiento epitaxial de SiC, que realiza la deposición química de vapor (CVD) en el plano cristalino de bajo índice del sustrato de SiC en una pequeña dirección fuera de ángulo en condiciones de crecimiento apropiadas. Este método técnico también se denomina método de crecimiento epitaxial controlado por pasos.

La Figura 1 muestra cómo realizar un crecimiento epitaxial de SIC mediante un método de crecimiento epitaxial controlado por paso. La superficie de un sustrato SIC limpio y fuera del ángulo se forma en capas de pasos, y se obtiene el paso de nivel molecular y la estructura de la tabla. Cuando se introduce el gas de la materia prima, la materia prima se suministra a la superficie del sustrato SIC, y la materia prima que se mueve sobre la tabla es capturada por los pasos en secuencia. Cuando la materia prima capturada forma una disposición consistente con el Polytype de cristal delSustrato sicen la posición correspondiente, la capa epitaxial hereda con éxito el politipo cristalino específico del sustrato de SiC.

Figura 1: Crecimiento epitaxial del sustrato SIC con un ángulo fuera de ángulo (0001)

Por supuesto, puede haber problemas con la tecnología de crecimiento epitaxial controlado por pasos. Cuando las condiciones de crecimiento no cumplen con las condiciones adecuadas, las materias primas se nuclearán y generarán cristales en la mesa en lugar de en los escalones, lo que dará lugar al crecimiento de diferentes politipos de cristales, provocando que la capa epitaxial ideal no crezca. Si aparecen politipos heterogéneos en la capa epitaxial, el dispositivo semiconductor puede quedar con defectos fatales. Por lo tanto, en la tecnología de crecimiento epitaxial controlado por pasos, el grado de desviación debe diseñarse para que el ancho del paso alcance un tamaño razonable. Al mismo tiempo, la concentración de materias primas de Si y materias primas de C en el gas de materia prima, la temperatura de crecimiento y otras condiciones también deben cumplir las condiciones para la formación prioritaria de cristales en los escalones. En la actualidad, la superficie de la principalSustrato de SiC tipo 4Hen el mercado presenta una superficie con un ángulo de deflexión de 4° (0001), que puede cumplir tanto con los requisitos de la tecnología de crecimiento epitaxial controlado por pasos como con el aumento del número de obleas obtenidas de la bola.

El hidrógeno de alta pureza se utiliza como portador en el método de deposición química de vapor para el crecimiento epitaxial de SiC, y las materias primas de Si, como SiH4, y las materias primas de C, como C3H8, se introducen en la superficie del sustrato de SiC, cuya temperatura del sustrato siempre se mantiene a 1500-1600℃. A una temperatura de 1500-1600°C, si la temperatura de la pared interior del equipo no es lo suficientemente alta, la eficiencia del suministro de materias primas no mejorará, por lo que es necesario utilizar un reactor de pared caliente. Existen muchos tipos de equipos de crecimiento epitaxial de SiC, incluidos los verticales, horizontales, de múltiples obleas y de una sola oblea.obleatipos. Las Figuras 2, 3 y 4 muestran el flujo de gas y la configuración del sustrato de la parte del reactor de tres tipos de equipos de crecimiento epitaxial de SiC.

Figura 2 Rotación y revolución de varios chips

Figura 3 Revolución multichip

Figura 4 Chip único

Hay varios puntos clave a considerar para lograr la producción en masa de sustratos epitaxiales de SiC: uniformidad del espesor de la capa epitaxial, uniformidad de la concentración de dopaje, polvo, rendimiento, frecuencia de reemplazo de componentes y conveniencia del mantenimiento. Entre ellos, la uniformidad de la concentración de dopaje afectará directamente la distribución de resistencia de voltaje del dispositivo, por lo que la uniformidad de la superficie de la oblea, lote y lote es muy alta. Además, los productos de reacción adheridos a los componentes del reactor y al sistema de escape durante el proceso de crecimiento se convertirán en una fuente de polvo, y cómo eliminar convenientemente estos polvos también es una dirección de investigación importante.

Después del crecimiento epitaxial SIC, se obtiene una capa de cristal SIC de alta pureza que se puede utilizar para fabricar dispositivos de energía. Además, a través del crecimiento epitaxial, la dislocación del plano basal (BPD) existente en el sustrato también se puede convertir en una dislocación de borde de roscado (TED) en la interfaz de la capa de sustrato/deriva (ver Figura 5). Cuando fluye una corriente bipolar, el BPD se someterá a una expansión de fallas de apilamiento, lo que resulta en la degradación de las características del dispositivo, como el aumento de la resistencia. Sin embargo, después de que el BPD se convierte en TED, las características eléctricas del dispositivo no se verán afectadas. El crecimiento epitaxial puede reducir significativamente la degradación del dispositivo causada por la corriente bipolar.

Figura 5: BPD del sustrato SIC antes y después del crecimiento epitaxial y la sección transversal TED después de la conversión

En el crecimiento epitaxial de SiC, a menudo se inserta una capa amortiguadora entre la capa de deriva y el sustrato. La capa tampón con alta concentración de dopaje tipo n puede promover la recombinación de portadores minoritarios. Además, la capa amortiguadora también tiene la función de conversión de dislocación del plano basal (BPD), lo que tiene un impacto considerable en el costo y es una tecnología de fabricación de dispositivos muy importante.