¿Cuál es la orientación del sustrato SiC?
August 29, 2024
Dado que el cristal no es infinito, terminará en un plano.las propiedades de la superficie pueden afectar a las propiedades del dispositivo,Estas propiedades superficiales se describen generalmente por el plano de cristal o la dirección del cristal.
1. Orientación del sustrato de SiC
Orientación del cristal: La dirección indicada por la línea entre dos átomos/moléculas/iones en una célula cristalina se llama orientación del cristal.
Plano de cristal: El plano formado por una serie de átomos / moléculas / iones se llama plano de cristal.
Índice de orientación de cristal: tomar un cierto punto O de la celda unitaria como el origen, establecer el eje de coordenadas X / Y / Z a través del origen O,tomar la longitud del vector de la red de la celda unitaria como la unidad de longitud del eje de coordenadas, hacer una línea recta OP a través del origen O, requieren que el punto P sea el más cercano al punto O, y hacerlo paralelo a la dirección del cristal AB, determinar los tres valores de coordenadas del punto P,Convierta los tres valores en el número entero mínimo u, v, w, más paréntesis cuadradas, [uvw] es el índice de orientación cristalina de AB a determinar. Si uno de u, v, o w es negativo, simplemente poner el signo negativo por encima del número.Una dirección cristalina en la que todas las direcciones indicadas por el índice son consistentes y paralelas entre sí.
Grupo de orientación de cristal: los átomos de cristal están dispuestos en el mismo conjunto de cristal a conocido como el cristal a la familia, como el sistema de cristal cúbico, a / b / c tres valores son los mismos,[111] oblea de cristal para un total de ocho al clan ([111], [111], [1-11] y [11-1], [1-11], [- 11-1], [1-1-1], [1-1-1]). Denotar este grupo de orientación por <111>. Del mismo modo, el grupo de orientación <100> contiene seis orientaciones: [100], [010], [001],[-100],[0-10] y [00-1]Si no es cúbico, el grupo de orientación puede ser diferente cambiando el orden del índice de orientación.
| Orientación del sustrato de SiC | |
| Orientación del cristal | Orientación cristalografía del sustrato SiC el ángulo de inclinación entre el eje c y el vector perpendicular a la superficie de la oblea. |
| Orientación ortogonal | Cuando la cara de cristal se desvía intencionalmente desde la cara de cristal (0001), el |
| Desviación | El ángulo entre el vector normal de la cara de cristal proyectado en el (0001) plano y la dirección [11-20] más cercana al plano (0001) |
| Fuera del eje | < 11-20 > Desviación de dirección 4,0°±0,5° |
| Eje positivo | La dirección de desviación de 0° ± 0,5° |
2.Diagrama esquemático del diámetro de la oblea C y de la cara de la oblea Si, el plano primario, el plano secundario y la posición de marcado con láser.
| Diámetro | Mide el diámetro de la oblea con una pinza de vernier estándar |
| Piso primario | El borde tiene la longitud más larga en una oblea cuya superficie de cristal es paralelo al plano de la red {1010} |
| Orientación del piso principal | La orientación del plano primario es siempre paralela a la dirección < 1120 > (o paralela al plano de la red {1010}). |
| Apartamento secundario | Su longitud es más corta que la del borde de posicionamiento principal, y su posición Relativo a la Placa Primaria puede distinguir las superficies de Si y C |
| Orientación del piso secundario | Con Si boca arriba, la orientación del plano secundario se puede girar 90 ° en el sentido de las agujas del reloj a lo largo del piso principal. |
| Marcado | En el caso de los materiales de pulido de superficie de Si, se marcará la superficie C de cada oblea. con marcado por láser |
3¿Por qué se utilizan a menudo sustratos cristalinos para fabricar dispositivos de energía como los MOSFET?
Los dispositivos de alimentación son generalmente dispositivos de canal de superficie, y la densidad de los estados de defectos de superficie influye en gran medida en el voltaje umbral y la confiabilidad.La densidad de superficie atómica de (100) la superficie cristalina es la más pequeñaHay menos enlaces insaturados en la superficie del dispositivo,y se generan menos defectos cuando la superficie del dispositivo se oxida.
Debido a la pequeña densidad de (100) la cara de cristal, su tasa de oxidación térmica y de grabado es relativamente rápida, los líderes del proceso de investigación de procesos de dirección de cristal <100> también son más;
La dirección del cristal <110> es la dirección con la mayor movilidad de electrones en las obleas de silicio, porque los átomos en la dirección del cristal <110> están dispuestos relativamente estrechamente,y los electrones encontrarán menos obstáculos cuando se mueven en esta direcciónSin embargo, los átomos en la dirección del cristal <100> están dispuestos libremente, y los electrones se verán obstaculizados por muchos obstáculos al moverse en esta dirección,Así que la movilidad de los electrones es relativamente bajaAunque las obleas de silicio de orientación < 110> tienen mejores prestaciones en algunos aspectos,no se utilizan con frecuencia debido a su estructura de rejilla apretada y al alto costo y dificultad técnica de cortar las obleas de silicio en obleas de orientación < 110>.
En algunos diseños de disposición del dispositivo, la dirección de la célula o la dirección policristalina de la puerta no es perpendicular al canal de scripting, sino que está en un ángulo de 45 grados con el canal de scripting,el objetivo es hacer que la dirección del canal de la dirección del cristal a < 110>, aumentar la movilidad de los portadores de carga, reducir la pérdida, además de la dirección de disposición diferente, la consistencia de tensión general de la oblea también es beneficiosa.había más y más dispositivos de tipo ranura, y la dirección de los portadores de carga del canal era perpendicular al plano cristalino, por lo que era de poca importancia cambiar la otra dirección en términos de mejora de la movilidad.
Antes de los 40nm, los procesos CMOS tienden a utilizar sustratos de orientación de cristal <100>.En esta dirección., el canal PMOS es el más sensible a la tensión de compresión, por lo que la movilidad puede mejorarse en la mayor medida.El proceso de 28nm utilizará la tecnología de estrés de filtración de germanio y silicio para optimizar la movilidad del agujero.Aunque las obleas de silicio de orientación < 110> tienen un mejor rendimiento en algunos aspectos, debido a su estructura de red apretada,las obleas de silicio son más caras y técnicamente difíciles de cortar en obleas de orientación < 110>.
4. Por qué los dispositivos de potencia de SiC a menudo están hechos de estructura cristalina 4H-SiC y obleas <0001>?
Entre los diversos tipos de cristal de SiC, el 3C-SiC tiene la energía de enlace más baja, la energía libre de red más alta y la nucleación fácil, pero está en estado metastable,con baja estabilidad y fácil transferencia de fase sólidaLa transición de fase es más probable que ocurra bajo la influencia de condiciones externas.3C-SiC puede sufrir transformación de fase y convertirse en otras formas cristalinas.
La siguiente es una comparación específica de la diferencia de rendimiento entre 4H-SiC y 6H-SiC para saber por qué los dispositivos de potencia SiC utilizan comúnmente la estructura cristalina 4H-SiC:
Las principales diferencias entre el 4H SiC y el 6H-SiC se encuentran en sus estructuras cristalinas, propiedades físicas y propiedades eléctricas.El 4H SiC tiene un orden de apilamiento ABCB y una simetría más alta en comparación con el apilamiento ABABAB de 6H-SiCEsta diferencia de simetría afecta el proceso de crecimiento del cristal, lo que resulta en una menor densidad de defecto de 4H-sic y una mejor calidad del cristal.El 4H-SiC presenta una mayor conductividad térmica a lo largo del eje C y una mayor movilidad del portador, lo que lo hace adecuado para aplicaciones de alta frecuencia y alta potencia como MOSFET, diodos de Schottky y transistores de unión bipolar.6H-SiC tiene menores defectos de nivel profundo y menor tasa de recombinación de portadores, que es más adecuado para aplicaciones de sustrato de alta calidad, como aplicaciones de sustrato de alta calidad, crecimiento epitaxial y fabricación de dispositivos electrónicos.La elección entre las dos estructuras cristalinas depende de los requisitos específicos del dispositivo semiconductor y de su aplicación prevista.
5¿Por qué la orientación de la oblea de los dispositivos de potencia de SiC es a menudo <0001>?
Según el análisis de orientación cristalina del silicio, la estructura cristalina de 4H-SiC <0001> tiene las siguientes ventajas:
Ventaja de la estructura de cristal:
La estructura de la oblea del material SiC tiene una buena coincidencia de red en la dirección del cristal <0001>, lo que permite una alta calidad cristalina e integridad de la oblea en el proceso de crecimiento y fabricación de la oblea.
La orientación <0001> puede formar una superficie de enlace Si-C con una baja densidad de estados interfaciales, lo que favorece la obtención de una interfaz SiC-SiO2 de alta calidad.
La superficie de la dirección del cristal <0001> es relativamente plana, lo que favorece el crecimiento de una película epitaxial de alta calidad.la densidad de átomos de carbono en la dirección cristalina de <0001> es superior, lo que favorece obtener una mayor intensidad de campo eléctrico de ruptura, que es muy importante para garantizar la fiabilidad del aislamiento del dispositivo.
Ventaja de conductividad térmica:
El material SiC tiene una conductividad térmica muy alta, lo que permite una disipación de calor más eficiente durante el funcionamiento de los dispositivos de potencia.que mejora aún más el rendimiento de disipación de calor del chip y ayuda a mejorar la densidad de potencia y la fiabilidad del dispositivo de alimentación.
Ventajas de rendimiento del dispositivo: La oblea de SiC <0001> puede lograr una corriente de fuga más baja y un voltaje de ruptura más alto.la oblea de SiC también tiene una mayor movilidad de portadores y un gran efecto de polarización espontánea, que se puede utilizar para mejorar la densidad de electrones del canal MOSFET, mejorar la corriente de conducción en el estado de conducción,y ayudar a mejorar la velocidad de conmutación y la frecuencia de funcionamiento del dispositivo.