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SiC器件之外延层基础知识

高工
2022-10-24 00:43:14     打赏

SiC器件的主要工艺包含:单晶衬底(Substrate)的生长、外延层(Epitaxy)的生长、器件的制作,以及封测等部分。其中,外延部分是承上启下的中间环节的工艺,本文主要讨论一下SiC器件的外延层相关的基本概念

1、有哪几种衬底?

首先介绍点背景知识,衬底是半导体单晶材料制作而成的晶圆片,SiC的衬底根据分类分为导电型衬底和半绝缘型衬底,这两种衬底前者主要用于制作功率器件,其外延部分为SiC,而后者主要用于做射频器件,其外延主要是GaN。

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图1 不同衬底的外延区别

2、外延是做什么的?

SiC具有多型结构,如立方,六角,棱型等,目前大概有170多种多型结构体,不同的多型体表现出来的特性也不同。外延可以是和衬底是同一种材料,即同质外延,也可以是不同种材料,即异质外延。SiC的同质外延是指,和SiC衬底具有相同聚合态的外延层生长。

SiC的外延片,是指在基于衬底进行切割,磨平,抛光等加工工艺后,在SiC的衬底上生长一层有一定要求的,和衬底晶相相同的新的单晶薄膜,这个薄膜就是外延层,生长了外延层的衬底就是外延片。这里新生的单晶按照衬底晶相延生生长,故称为外延层。

器件制作在外延层上为正外延,而器件制作在衬底上称为反外延,此时外延主要起到支撑作用。

3、外延层有多厚?

根据击穿电压的不同,外延具有不同的厚度,一般的,SiC器件耐压在600V左右时,外延层厚度为6um,1200V-1700V时,外延层厚度在10-15um,耐压在10kV时,外延层厚度在100um以上。器件的耐压越高,外延层越厚,则制备难度越大。

目前在中低压领域,外延片技术成熟,在高压领域,如20kV的器件需要的200um的外延片,此类外延片还有不少需要攻克的工艺,如厚度,掺杂浓度的均匀性,三角缺陷等。

4、为什么要有外延层?

由于SiC的体材料的质量及其表面特性不能够满足直接制造器件的要求,制作SiC的高压,大功率,高频器件需要较厚的外延层及较低的掺杂浓度。

而早在Si的时代,在1959年就开发出来薄层单晶材料生长工艺,即外延生长,它可以很好地解决高压大电流制作的需求,在电阻极低的衬底上生长一层高电阻率的外延层,器件制作在外延层上。外延层的电阻率很高,可以保证器件具有高的击穿电压,而低阻的衬底又可以确保器件具有低的串联电阻。

总的说来,通过外延层,可以获得比衬底材料更完美可控的晶体结构,有利于基于材料的应用开发。

5、外延制作的主要工艺分类

根据材料生长的大分类来说,主要分为液相生长和气相生长。液相生长即从液固平衡系统中生长,而气相生长是气相中的原子或者分子从结晶界面上去不断沉积生长。

液相生长的成本低,可生长大尺寸单晶材料,可实现大规模生长,而采用气相生长方式可以得到高质量的SiC体单晶材料及外延层和异质结构。

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图2 SiC的外延工艺种类

SiC的外延生长方法,主要包括图2所示的几种。其中CVD化学气相沉积技术是化合物半导体外延生长的标准工艺技术,在特殊高温下的技术可以生长较厚的外延层。其它工艺技术此处不详细讨论。

在外延的生长中,气相Si和C的比例会影响外延的生长速率,外延层质量,杂质的掺入等,而CVD技术可以很好地控制Si和C的比例,所以可以满足高压大功率器件需要的厚外延层。另外,高温的化学气相法HTCVD可以很好地控制Si和C的比例之外,也可以提高生长速率。

6、外延片的成本如何?

相比Si材料,SiC材料的单晶生长速度慢,晶锭长度短,材料硬度高,不易切割,抛光,磨平等,因此SiC材料的高质量,可靠性生产比较难,所以目前市场价格相对较高。

而对于外延片来说,衬底和外延部分材料成本会占到成本的70%以上,所以降低衬底的成本对降低外延片的成本很重要,一般来说,可以通过增加SiC衬底的尺寸,提高衬底的可用厚度,减小衬底的缺陷密度来降低衬底的成本。

基于SiC衬底,通过CVD技术制作高质量的外延层,在外延层上进行器件开发,这样也可以降低单位成本。

而随着市场需求的增加,相关企业的产能利用率会得到很好地利用,SiC衬底和外延片的价格也会逐步降低。





关键词: SiC     基础知识    

专家
2022-10-24 06:18:39     打赏
2楼

感谢分享!~


专家
2022-10-24 07:37:21     打赏
3楼
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