המבוא הבסיסי של תהליך הצמיחה האפיטקסיאלי של SiC

שכבה אפיטקסיאלית היא סרט גביש יחיד ספציפי שגדל על הפרוסה בתהליך אפיטקסיאלי, ופלסת המצע והסרט האפיטקסיאלי נקראים רקיק אפיטקסיאלי. על ידי גידול השכבה האפיטקסיאלית של סיליקון קרביד על מצע הסיליקון קרביד המוליך, ניתן להכין את הפרוסה האפיטקסיאלית ההומוגנית של סיליקון קרביד לתוך דיודות Schottky, MOSFETs, IGBTs והתקני כוח אחרים, ביניהם מצע 4H-SiC הוא הנפוץ ביותר בשימוש.

בגלל תהליך הייצור השונה של מכשיר כוח סיליקון קרביד ומכשיר כוח סיליקון מסורתי, לא ניתן לייצר אותו ישירות על חומר גביש יחיד של סיליקון קרביד. יש לגדל חומרים אפיטקסיאליים נוספים באיכות גבוהה על מצע הקריסטל המוליך, וליצור מכשירים שונים על השכבה האפיטקסיאלית. לכן, לאיכות השכבה האפיטקסיאלית יש השפעה רבה על ביצועי המכשיר. שיפור הביצועים של מכשירי כוח שונים מציב גם דרישות גבוהות יותר לעובי השכבה האפיטקסיאלית, ריכוז הסימום והפגמים.

תְאֵנָה. 1. קשר בין ריכוז סימום ועובי השכבה האפיטקסיאלית של התקן חד קוטבי ומתח חסימה

שיטות ההכנה של שכבת SIC אפיטקסיאלית כוללות בעיקר שיטת גידול אידוי, צמיחה אפיטקסיאלית של שלב נוזלי (LPE), צמיחה אפיטקסיאלית של קרן מולקולרית (MBE) ותצהיר אדי כימי (CVD). כיום, שקיעת אדים כימית (CVD) היא השיטה העיקרית המשמשת לייצור בקנה מידה גדול במפעלים.

תְאֵנָה. 2. השוואה בין שיטות הכנה עיקריות של שכבה אפיטקסיאלית

על המצע מחוץ לציר {0001} עם זווית הטיה מסוימת, כפי שמוצג באיור 2(ב), הצפיפות של משטח המדרגה גדולה יותר, וגודל משטח המדרגה קטן יותר, ולא קל לבצע גרעין גביש. מתרחשים על משטח המדרגה, אך מתרחשים לעתים קרובות יותר בנקודת המיזוג של המדרגה. במקרה זה, יש רק מפתח גרעיני אחד. לכן, השכבה האפיטקסיאלית יכולה לשכפל בצורה מושלמת את סדר הערימה של המצע, ובכך לבטל את הבעיה של דו-קיום רב-סוגי.

תְאֵנָה. 3. דיאגרמת תהליך פיזי של שיטת 4H-SiC שלב בקרת אפיטקסיה

תְאֵנָה. 4. תנאים קריטיים לצמיחת CVD על ידי שיטת 4H-SiC שלב מבוקר אפיטקסיה

תְאֵנָה. 5. השוואה של קצבי גדילה תחת מקורות סיליקון שונים באפיטקסיה 4H-SiC

נכון לעכשיו, טכנולוגיית אפיטקס סיליקון קרביד בשלה יחסית ביישומי מתח נמוך ובינוני (כגון התקני 1200 וולט). אחידות העובי, אחידות ריכוז הסימום ופיזור הפגמים של השכבה האפיטקסיאלית יכולים להגיע לרמה טובה יחסית, שיכולה לענות על הצרכים של SBD במתח בינוני ונמוך (דיודת Schottky), MOS (טרנזיסטור אפקט שדה מוליכים למחצה מתכת תחמוצת למחצה), JBS ( דיודת צומת) והתקנים אחרים.

עם זאת, בתחום הלחץ הגבוה, פרוסות אפיטקסיאליות עדיין צריכות להתגבר על אתגרים רבים. לדוגמה, עבור מכשירים שצריכים לעמוד ב-10,000 וולט, עובי השכבה האפיטקסיאלית צריך להיות בערך 100 מיקרומטר. בהשוואה למכשירי מתח נמוך, עובי השכבה האפיטקסיאלית ואחידות ריכוז הסימום שונים בהרבה, במיוחד האחידות של ריכוז הסימום. יחד עם זאת, הפגם המשולש בשכבה האפיטקסיאלית יהרוס גם את הביצועים הכוללים של המכשיר. ביישומי מתח גבוה, סוגי התקנים נוטים להשתמש בהתקנים דו-קוטביים, הדורשים חיי מיעוט גבוהים בשכבה האפיטקסיאלית, ולכן יש לבצע אופטימיזציה של התהליך כדי לשפר את חיי המיעוט.

נכון לעכשיו, האפיטקסיה הביתית היא בעיקר 4 אינץ' ו-6 אינץ', ושיעור האפיטקסיות של סיליקון קרביד בגודל גדול גדל משנה לשנה. גודל היריעות האפיטקסיאליות של סיליקון קרביד מוגבל בעיקר על ידי גודל מצע סיליקון קרביד. נכון לעכשיו, מצע הסיליקון קרביד בגודל 6 אינץ' עבר למסחר, כך שהאפיטקסיאלי של סיליקון קרביד עובר בהדרגה מ-4 אינץ' ל-6 אינץ'. עם השיפור המתמיד של טכנולוגיית הכנת מצע סיליקון קרביד והרחבת הקיבולת, המחיר של מצע סיליקון קרביד יורד בהדרגה. בהרכב מחיר היריעה האפיטקסיאלית, המצע מהווה יותר מ-50% מהעלות, כך שעם ירידת מחיר המצע צפוי לרדת גם מחיר היריעות האפיטקסיות מסיליקון קרביד.