Pagkamit ng High-Quality SiC Crystal Growth sa pamamagitan ng Temperature Gradient Control sa Initial Growth Phase

Panimula

Ang Silicon carbide (SiC) ay isang malawak na bandgap na materyal na semiconductor na nakakuha ng makabuluhang atensyon sa mga nakalipas na taon dahil sa pambihirang pagganap nito sa mataas na boltahe at mataas na temperatura na mga aplikasyon. Ang mabilis na pagsulong ng mga pamamaraan ng Physical Vapor Transport (PVT) ay hindi lamang nagpabuti sa kalidad ng mga solong kristal ng SiC ngunit matagumpay ding nakamit ang paggawa ng mga 150mm na solong kristal na SiC. Gayunpaman, ang kalidad ngSiC wafersnangangailangan pa rin ng karagdagang pagpapahusay, lalo na sa mga tuntunin ng pagbabawas ng density ng depekto. Kilalang-kilala na ang iba't ibang mga depekto ay umiiral sa loob ng lumalagong mga kristal na SiC, pangunahin dahil sa isang hindi sapat na pag-unawa sa mga mekanismo ng pagbuo ng depekto sa panahon ng proseso ng paglago ng kristal ng SiC. Ang karagdagang malalim na pananaliksik sa proseso ng paglago ng PVT ay kinakailangan upang mapataas ang diameter at haba ng mga kristal na SiC habang pinapahusay din ang rate ng pagkikristal, at sa gayon ay pinabilis ang komersyalisasyon ng mga aparatong batay sa SiC. Upang makamit ang mataas na kalidad na paglaki ng kristal ng SiC, nakatuon kami sa kontrol ng gradient ng temperatura sa panahon ng paunang yugto ng paglago. Dahil ang mga gas na mayaman sa silicon (Si, Si2C) ay maaaring makapinsala sa ibabaw ng kristal ng binhi sa panahon ng paunang yugto ng paglago, nagtatag kami ng iba't ibang mga gradient ng temperatura sa paunang yugto at inayos sa pare-pareho ang mga kondisyon ng temperatura ng C/Si ratio sa panahon ng pangunahing proseso ng paglago. Ang pag-aaral na ito ay sistematikong ginalugad ang iba't ibang mga katangian ng SiC crystals na lumago gamit ang binagong mga kondisyon ng proseso.

Mga Eksperimental na Paraan

Ang paglaki ng 6-pulgadang 4H-SiC boule ay isinagawa gamit ang PVT method sa 4° off-axis C-face substrates. Ang mga pinahusay na kondisyon ng proseso para sa paunang yugto ng paglago ay iminungkahi. Ang temperatura ng paglago ay itinakda sa pagitan ng 2300-2400°C, at ang presyon ay pinananatili sa 5-20 Torr, sa isang kapaligiran ng nitrogen at argon gas. 6-pulgada4H-SiC na mga waferay gawa-gawa sa pamamagitan ng karaniwang mga pamamaraan sa pagproseso ng semiconductor. AngSiC wafersay naproseso ayon sa iba't ibang mga kondisyon ng gradient ng temperatura sa paunang yugto ng paglago at nakaukit sa 600°C sa loob ng 14 minuto upang suriin ang mga depekto. Ang etch pit density (EPD) ng ibabaw ay sinusukat gamit ang isang optical microscope (OM). Ang buong lapad sa kalahating maximum (FWHM) na mga halaga at pagmamapa ng mga larawan ng6-pulgada na SiC waferay sinusukat gamit ang isang high-resolution na X-ray diffraction (XRD) system.

Mga Resulta at Talakayan

Figure 1: Schematic ng SiC Crystal Growth Mechanism

Upang makamit ang mataas na kalidad na paglaki ng solong kristal ng SiC, karaniwang kinakailangan na gumamit ng mataas na kadalisayan na mga pinagmumulan ng pulbos ng SiC, tiyak na kontrolin ang ratio ng C/Si, at mapanatili ang pare-parehong temperatura at presyon ng paglago. Bilang karagdagan, ang pagliit ng pagkawala ng kristal ng binhi at pagsugpo sa pagbuo ng mga depekto sa ibabaw sa kristal ng binhi sa panahon ng paunang yugto ng paglago ay mahalaga. Ang Figure 1 ay naglalarawan ng eskematiko ng SiC crystal growth mechanism sa pag-aaral na ito. Gaya ng ipinapakita sa Figure 1, ang mga vapor gas (ST) ay dinadala sa ibabaw ng seed crystal, kung saan sila nagkakalat at bumubuo ng kristal. Ang ilang mga gas na hindi kasama sa paglago (ST) ay na-desorb mula sa kristal na ibabaw. Kapag ang dami ng gas sa seed crystal surface (SG) ay lumampas sa desorbed gas (SD), ang proseso ng paglago ay nagpapatuloy. Samakatuwid, ang naaangkop na gas (SG)/gas (SD) ratio sa panahon ng proseso ng paglago ay pinag-aralan sa pamamagitan ng pagbabago ng posisyon ng RF heating coil.

Figure 2: Schematic ng SiC Crystal Growth Process Conditions

Ipinapakita ng Figure 2 ang eskematiko ng mga kondisyon ng proseso ng paglago ng SiC crystal sa pag-aaral na ito. Ang karaniwang temperatura ng proseso ng paglago ay umaabot mula 2300 hanggang 2400°C, na pinananatili ang presyon sa 5 hanggang 20 Torr. Sa panahon ng proseso ng paglago, ang temperatura gradient ay pinananatili sa dT=50~150°C ((a) conventional method). Minsan, ang hindi pantay na supply ng mga pinagmumulan ng gas (Si2C, SiC2, Si) ay maaaring magresulta sa mga stacking fault, polytype inclusions, at sa gayon ay pababain ang kalidad ng kristal. Samakatuwid, sa paunang yugto ng paglago, sa pamamagitan ng pagbabago ng posisyon ng RF coil, ang dT ay maingat na kinokontrol sa loob ng 50~100°C, pagkatapos ay inayos sa dT=50~150°C sa panahon ng pangunahing proseso ng paglago ((b) pinabuting pamamaraan) . Upang kontrolin ang gradient ng temperatura (dT[°C] = Tbottom-Tupper), ang temperatura sa ibaba ay naayos sa 2300°C, at ang pinakamataas na temperatura ay inayos mula 2270°C, 2250°C, 2200°C hanggang 2150°C. Ipinapakita ng Talahanayan 1 ang mga optical microscope (OM) na larawan ng SiC boule surface na lumago sa ilalim ng iba't ibang kondisyon ng gradient ng temperatura pagkatapos ng 10 oras.

Talahanayan 1: Mga Larawan ng Optical Microscope (OM) ng SiC Boule Surface na Lumago sa loob ng 10 Oras at 100 Oras sa ilalim ng Iba't ibang Kondisyon ng Gradient ng Temperatura

Sa paunang dT=50°C, ang density ng depekto sa ibabaw ng SiC boule pagkatapos ng 10 oras na paglaki ay makabuluhang mas mababa kaysa sa ilalim ng dT=30°C at dT=150°C. Sa dT=30°C, ang paunang gradient ng temperatura ay maaaring masyadong maliit, na nagreresulta sa pagkawala ng kristal ng binhi at pagbuo ng depekto. Sa kabaligtaran, sa isang mas mataas na paunang gradient ng temperatura (dT=150°C), maaaring mangyari ang isang hindi matatag na estado ng supersaturation, na humahantong sa mga polytype na inklusyon at mga depekto dahil sa mataas na mga konsentrasyon ng bakante. Gayunpaman, kung ang paunang gradient ng temperatura ay na-optimize, ang mataas na kalidad na paglaki ng kristal ay maaaring makamit sa pamamagitan ng pagliit ng pagbuo ng mga paunang depekto. Dahil ang density ng depekto sa ibabaw ng SiC boule pagkatapos ng 100 oras ng paglaki ay katulad ng mga resulta pagkatapos ng 10 oras, ang pagbabawas ng pagbuo ng depekto sa paunang yugto ng paglago ay ang kritikal na hakbang sa pagkuha ng mataas na kalidad na mga kristal ng SiC.

Talahanayan 2: Mga Halaga ng EPD ng Etched SiC Boules sa ilalim ng Iba't ibang Kondisyon ng Gradient ng Temperatura

Mga ostiyana inihanda mula sa mga boule na lumago sa loob ng 100 oras ay nakaukit upang pag-aralan ang depektong density ng SiC crystal, tulad ng ipinapakita sa Talahanayan 2. Ang mga halaga ng EPD ng mga SiC crystal na lumago sa ilalim ng paunang dT=30°C at dT=150°C ay 35,880/cm² at 25,660 /cm², ayon sa pagkakabanggit, samantalang ang halaga ng EPD ng mga kristal na SiC ay lumago sa ilalim ng mga naka-optimize na kondisyon (dT=50°C) makabuluhang nabawasan sa 8,560/cm².

Talahanayan 3: Mga Halaga ng FWHM at XRD Mapping na Mga Larawan ng SiC Crystal sa ilalim ng Iba't ibang Kundisyon ng Gradient ng Inisyal na Temperatura

Ipinapakita ng Talahanayan 3 ang mga halaga ng FWHM at mga imahe ng pagmamapa ng XRD ng mga kristal na SiC na lumago sa ilalim ng iba't ibang mga kondisyon ng gradient ng temperatura. Ang average na halaga ng FWHM ng mga kristal na SiC na lumago sa ilalim ng mga na-optimize na kondisyon (dT=50°C) ay 18.6 arcsecond, na makabuluhang mas mababa kaysa sa mga kristal na SiC na lumago sa ilalim ng iba pang mga kondisyon ng gradient ng temperatura.

Konklusyon

Ang epekto ng gradient ng temperatura ng paunang yugto ng paglago sa kalidad ng kristal ng SiC ay pinag-aralan sa pamamagitan ng pagkontrol sa gradient ng temperatura (dT[°C] = Tbottom-Tupper) sa pamamagitan ng pagbabago ng posisyon ng coil. Ipinakita ng mga resulta na ang density ng depekto sa ibabaw ng SiC boule pagkatapos ng 10 oras ng paglaki sa ilalim ng mga paunang kondisyon ng dT=50°C ay makabuluhang mas mababa kaysa sa ilalim ng dT=30°C at dT=150°C. Ang average na halaga ng FWHM ng mga kristal na SiC na lumago sa ilalim ng mga na-optimize na kondisyon (dT=50°C) ay 18.6 arcsecond, na makabuluhang mas mababa kaysa sa mga kristal na SiC na lumago sa ilalim ng ibang mga kundisyon. Ipinapahiwatig nito na ang pag-optimize sa paunang gradient ng temperatura ay epektibong binabawasan ang pagbuo ng mga paunang depekto, sa gayon ay nakakamit ang mataas na kalidad na paglaki ng kristal ng SiC.**