Entuk Pertumbuhan Kristal SiC Berkualitas Tinggi liwat Kontrol Gradien Suhu ing Tahap Pertumbuhan Awal

Pambuka

Silicon carbide (SiC) minangka bahan semikonduktor lebar pita lebar sing wis entuk perhatian sing signifikan ing taun-taun pungkasan amarga kinerja sing luar biasa ing aplikasi voltase lan suhu dhuwur. Kemajuan kanthi cepet saka metode Pengangkutan Uap Fisik (PVT) ora mung ningkatake kualitas kristal tunggal SiC nanging uga wis sukses nggawe fabrikasi kristal tunggal SiC 150mm. Nanging, kualitas sakawafer SiCisih mbutuhake dandan luwih, utamané ing syarat-syarat ngurangi Kapadhetan cacat. Dikenal manawa macem-macem cacat ana ing kristal SiC sing tuwuh, utamane amarga pemahaman sing ora cukup babagan mekanisme pembentukan cacat sajrone proses pertumbuhan kristal SiC. Riset luwih jero babagan proses pertumbuhan PVT perlu kanggo nambah diameter lan dawa kristal SiC nalika uga nambah tingkat kristalisasi, saéngga nyepetake komersialisasi piranti adhedhasar SiC. Kanggo entuk wutah kristal SiC sing berkualitas, kita fokus ing kontrol gradien suhu sajrone fase pertumbuhan awal. Amarga gas sing sugih silikon (Si, Si2C) bisa ngrusak lumahing kristal wiji sajrone fase pertumbuhan awal, kita nggawe gradien suhu sing beda ing tahap awal lan nyetel kondisi suhu rasio C / Si sing tetep sajrone proses pertumbuhan utama. Panliten iki kanthi sistematis nylidiki macem-macem karakteristik kristal SiC sing ditanam nggunakake kondisi proses sing diowahi.

Metode Eksperimental

Wutah saka 6-inch 4H-SiC boules dileksanakake nggunakake cara PVT ing 4 ° off-axis C-pasuryan substrat. Kondisi proses sing luwih apik kanggo tahap pertumbuhan awal diusulake. Suhu wutah disetel antarane 2300-2400 ° C, lan tekanan dijaga ing 5-20 Torr, ing lingkungan nitrogen lan gas argon. 6-inciwafer 4H-SiCdigawe liwat teknik pangolahan semikonduktor standar. Ingwafer SiCdiproses miturut kondisi gradien suhu sing beda-beda ing fase pertumbuhan awal lan diukir ing 600 ° C suwene 14 menit kanggo ngevaluasi cacat. Kapadhetan pit etch (EPD) permukaan diukur nggunakake mikroskop optik (OM). Ambane lengkap ing setengah maksimum (FWHM) nilai lan gambar pemetaan sakaWafer SiC 6 incidiukur nggunakake sistem difraksi sinar-X resolusi dhuwur (XRD).

Asil lan Diskusi

Gambar 1: Skema Mekanisme Pertumbuhan Kristal SiC

Kanggo entuk wutah kristal tunggal SiC sing berkualitas, biasane kudu nggunakake sumber bubuk SiC sing kemurnian dhuwur, kanthi tepat ngontrol rasio C / Si, lan njaga suhu lan tekanan pertumbuhan sing tetep. Kajaba iku, nyilikake mundhut kristal wiji lan nyegah pembentukan cacat permukaan ing kristal wiji sajrone fase pertumbuhan awal penting banget. Gambar 1 nggambarake skema mekanisme pertumbuhan kristal SiC ing panliten iki. Kaya sing ditampilake ing Gambar 1, gas uap (ST) diangkut menyang permukaan kristal wiji, ing ngendi dheweke nyebar lan mbentuk kristal kasebut. Sawetara gas ora melu wutah (ST) desorb saka lumahing kristal. Nalika jumlah gas ing lumahing kristal wiji (SG) ngluwihi gas desorbed (SD), proses wutah nerusake. Mulane, rasio gas (SG) / gas (SD) sing cocok sajrone proses pertumbuhan ditliti kanthi ngganti posisi koil pemanasan RF.

Gambar 2: Skema Kahanan Proses Pertumbuhan Kristal SiC

Gambar 2 nuduhake skema kahanan proses pertumbuhan kristal SiC ing panliten iki. Suhu proses pertumbuhan khas antara 2300 nganti 2400 ° C, kanthi tekanan dijaga ing 5 nganti 20 Torr. Sajrone proses wutah, gradien suhu tetep ing dT = 50 ~ 150 ° C ((a) cara konvensional). Kadhangkala, pasokan gas sumber sing ora rata (Si2C, SiC2, Si) bisa nyebabake kesalahan tumpukan, inklusi polytype, lan kanthi mangkono ngrusak kualitas kristal. Mulane, ing fase pertumbuhan awal, kanthi ngganti posisi koil RF, dT dikontrol kanthi ati-ati ing 50 ~ 100 ° C, banjur disetel dadi dT = 50 ~ 150 ° C sajrone proses pertumbuhan utama ((b) cara sing luwih apik) . Kanggo ngontrol gradien suhu (dT[°C] = Tbottom-Tupper), suhu ngisor tetep ing 2300°C, lan suhu ndhuwur diatur saka 2270°C, 2250°C, 2200°C nganti 2150°C. Tabel 1 presents mikroskop optik (OM) gambar saka lumahing boule SiC thukul ing kahanan gradien suhu beda sawise 10 jam.

Tabel 1: Gambar Mikroskop Optik (OM) Permukaan SiC Boule Dituwuhake sajrone 10 Jam lan 100 Jam ing Kahanan Gradien Suhu sing Beda

Ing dT awal = 50 ° C, Kapadhetan cacat ing permukaan boule SiC sawise 10 jam wutah luwih murah tinimbang ing dT = 30 ° C lan dT = 150 ° C. Ing dT = 30 ° C, gradien suhu awal bisa uga cilik banget, nyebabake mundhut kristal wiji lan pembentukan cacat. Kosok baline, ing gradien suhu awal sing luwih dhuwur (dT = 150 ° C), kahanan supersaturasi sing ora stabil bisa kedadeyan, nyebabake inklusi polytype lan cacat amarga konsentrasi kekosongan sing dhuwur. Nanging, yen gradien suhu awal dioptimalake, wutah kristal sing berkualitas bisa digayuh kanthi nyuda pembentukan cacat awal. Wiwit Kapadhetan cacat ing lumahing boule SiC sawise 100 jam wutah padha karo asil sawise 10 jam, ngurangi tatanan cacat sak phase wutah dhisikan langkah kritis kanggo njupuk kristal SiC kualitas dhuwur.

Tabel 2: Nilai EPD saka Etched SiC Boules miturut Kahanan Gradien Suhu sing Beda

waferdisiapake saka boules thukul kanggo 100 jam padha etched kanggo sinau Kapadhetan cacat kristal SiC, minangka ditampilake ing Tabel 2. Nilai EPD saka kristal SiC thukul ing dT awal = 30 ° C lan dT = 150 ° C ana 35,880 / cm² lan 25,660 /cm², masing-masing, dene nilai EPD kristal SiC sing ditanam ing kondisi optimal (dT=50°C) suda sacara signifikan dadi 8,560/cm².

Tabel 3: Nilai FWHM lan Gambar Pemetaan XRD Kristal SiC ing Kahanan Gradien Suhu Awal sing Beda

Tabel 3 nampilake nilai FWHM lan gambar pemetaan XRD saka kristal SiC sing ditanam ing kondisi gradien suhu awal sing beda. Nilai FWHM rata-rata saka kristal SiC sing ditanam ing kondisi sing dioptimalake (dT = 50 ° C) yaiku 18,6 detik busur, luwih murah tinimbang kristal SiC sing ditanam ing kondisi gradien suhu liyane.

Kesimpulan

Pengaruh gradien suhu fase pertumbuhan awal ing kualitas kristal SiC ditliti kanthi ngontrol gradien suhu (dT[°C] = Tbottom-Tupper) kanthi ngganti posisi kumparan. Asil nuduhake yen Kapadhetan cacat ing lumahing boule SiC sawise 10 jam wutah ing dT = 50 ° C kondisi awal iku nyata luwih murah tinimbang ing dT = 30 ° C lan dT = 150 ° C. Nilai FWHM rata-rata saka kristal SiC sing ditanam ing kondisi sing dioptimalake (dT = 50 ° C) yaiku 18,6 detik busur, luwih murah tinimbang kristal SiC sing ditanam ing kahanan liyane. Iki nuduhake yen ngoptimalake gradien suhu awal kanthi efektif nyuda pembentukan cacat awal, saengga bisa nggayuh pertumbuhan kristal SiC sing berkualitas tinggi.**