ما هو النمو الفوقي الذي يتحكم فيه الخطوة？

باعتبارها واحدة من التقنيات الأساسية لإعداد أجهزة الطاقة من SiC، فإن جودة الفوقية التي تنموها تقنية النمو الفوقي من SiC ستؤثر بشكل مباشر على أداء أجهزة SiC. في الوقت الحاضر، تكنولوجيا النمو الفوقي الأكثر شيوعًا من SiC هي ترسيب البخار الكيميائي (CVD).

هناك العديد من الأنواع الكريستالية المستقرة من SIC. لذلك ، من أجل تمكين طبقة النمو الفوقي التي تم الحصول عليها من وراثة polytype البلورية المحددة منالركيزة كربيد السيليكون، من الضروري نقل معلومات الترتيب الذري ثلاثي الأبعاد للركيزة إلى طبقة النمو الفوقي ، وهذا يتطلب بعض الطرق الخاصة. اقترح هيرويوكي ماتسونامي ، أستاذ فخري بجامعة كيوتو ، وغيرهم هذه تقنية النمو الفوقي ، والتي تؤدي ترسب البخار الكيميائي (CVD) على المستوى البلوري المنخفض المؤشر للركيزة SIC في اتجاه صغير خارج الزاوية في ظل ظروف النمو المناسبة. وتسمى هذه الطريقة الفنية أيضًا طريقة النمو الفوقي الذي يتم التحكم فيه عن الخطوة.

يوضح الشكل 1 كيفية أداء النمو الفوقي الكشف عن طريق طريقة النمو الفوقي الذي يتم التحكم فيه عن خطوة. يتشكل سطح الركيزة النظيفة والخارجية في طبقات من الخطوات ، ويتم الحصول على هيكل الخطوة والجدول الجزيئي. عند إدخال غاز المواد الخام ، يتم توفير المادة الخام على سطح الركيزة SIC ، ويتم التقاط المادة الخام التي تتحرك على الطاولة من خلال الخطوات المتسلسلة. عندما تشكل المادة الخام التي تم التقاطها ترتيبًا يتسق مع polytype البلورية منالركيزة كربيد السيليكونفي الموضع المقابل ، ترث الطبقة الفوقية بنجاح النمط البلوري المحدد للركيزة SIC.

الشكل 1: النمو الفوقي لركيزة SiC بزاوية خارج (0001)

بالطبع ، قد تكون هناك مشاكل مع تكنولوجيا النمو الفوقي التي تسيطر عليها الخطوة. عندما لا تفي ظروف النمو بالظروف المناسبة ، فإن المواد الخام سوف تنوي وإنشاء بلورات على الطاولة بدلاً من الخطوات ، مما سيؤدي إلى نمو الأنواع البلورية المختلفة ، مما يؤدي إلى فشل الطبقة الفوقية المثالية. إذا ظهرت الأنواع المتعددة غير المتجانسة في الطبقة الفوقية ، فقد يتم ترك جهاز أشباه الموصلات مع عيوب مميتة. لذلك ، في تقنية النمو الفوقي الذي يتم التحكم فيه عن خطوة ، يجب تصميم درجة الانحراف لجعل عرض الخطوة يصل إلى حجم معقول. في الوقت نفسه ، يجب أن تلبي تركيز المواد الخام Si والمواد الخام في غاز المواد الخام ، ودرجة حرارة النمو والظروف الأخرى أيضًا شروط تكوين البلورات ذات الأولوية على الخطوات. في الوقت الحاضر ، سطح الرئيسيالركيزة 4H من نوع SiCيقدم في السوق سطح انحراف 4 درجات (0001) ، والذي يمكن أن يلبي كل من متطلبات تكنولوجيا النمو الفوقي الذي يتم التحكم فيه عن خطوة وزيادة عدد الرقاقات التي تم الحصول عليها من Boule.

يتم استخدام الهيدروجين عالي النقاء كحامل في طريقة ترسيب البخار الكيميائي للنمو الفوقي SIC ، والمواد الخام Si مثل المواد الخام SiH4 و C مثل C3H8 هي مدخلات على سطح الركيزة SIC التي يتم الاحتفاظ بدرجة حرارة الركيزة دائمًا في 1500-1600 ℃. عند درجة حرارة تتراوح بين 1500 و 1600 درجة مئوية ، إذا كانت درجة حرارة الجدار الداخلي للمعدات غير مرتفعة بدرجة كافية ، فلن يتم تحسين كفاءة العرض للمواد الخام ، لذلك فمن الضروري استخدام مفاعل الجدار الساخن. هناك العديد من أنواع معدات النمو الفوقية الشهيرة ، بما في ذلك العمودي والأفقي والمتعدد المفرد والفرد-رقاقةأنواع. توضح الأشكال 2 و3 و4 تدفق الغاز وتكوين الركيزة لجزء المفاعل لثلاثة أنواع من معدات النمو الفوقي من كربيد السيليكون.

الشكل 2: دوران الرقائق المتعددة والثورة

الشكل 3: ثورة الرقائق المتعددة

الشكل 4: شريحة واحدة

هناك العديد من النقاط الرئيسية التي يجب مراعاتها من أجل تحقيق الإنتاج الضخم للركائز الفوقية SIC: توحيد سماكة الطبقة الفوقية ، وتوحيد تركيز المنشطات ، والغبار ، والعائد ، وتواتر استبدال المكون ، وراحة الصيانة. من بينها ، سوف يؤثر توحيد تركيز المنشطات بشكل مباشر على توزيع مقاومة الجهد للجهاز ، وبالتالي فإن توحيد سطح الرقاقة والدُفعات والدفعة مرتفع للغاية. بالإضافة إلى ذلك ، فإن منتجات التفاعل المرتبطة بالمكونات في المفاعل ونظام العادم أثناء عملية النمو ستصبح مصدرًا للغبار ، وكيفية إزالة هذه الغبار مريحة هي أيضًا اتجاه بحث مهم.

بعد النمو الفوقي ، يتم الحصول على طبقة بلورية واحدة عالية النقاء يمكن استخدامها لتصنيع أجهزة الطاقة. بالإضافة إلى ذلك ، من خلال النمو الفوقي ، يمكن أيضًا تحويل خلع المستوى القاعدي (BPD) الموجود في الركيزة إلى خلع حافة الخيط (TED) في واجهة طبقة الركيزة/الانجراف (انظر الشكل 5). عندما يتدفق تيار ثنائي القطب ، سيخضع BPD لتوسيع الصدع ، مما يؤدي إلى تدهور خصائص الجهاز مثل زيادة المقاومة. ومع ذلك ، بعد تحويل BPD إلى TED ، لن تتأثر الخصائص الكهربائية للجهاز. يمكن أن يقلل النمو الفوقي بشكل كبير من تدهور الجهاز الناجم عن التيار الثنائي القطب.

الشكل 5: BPD من الركيزة SiC قبل وبعد النمو الفوقي والمقطع العرضي TED بعد التحويل

في النمو الفوقي لـ SiC، غالبًا ما يتم إدخال طبقة عازلة بين الطبقة الانجرافية والركيزة. يمكن للطبقة العازلة ذات التركيز العالي من المنشطات من النوع n أن تعزز إعادة تركيب حاملات الأقلية. بالإضافة إلى ذلك، تتمتع الطبقة العازلة أيضًا بوظيفة تحويل خلع المستوى الأساسي (BPD)، والتي لها تأثير كبير على التكلفة وهي تقنية مهمة جدًا لتصنيع الأجهزة.