Crescimento de epitaxia em C-Face 4H-SiC e sua aplicação em diodos Schottky +
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Atualmente, a maioria dos dispositivos 4H-SiC são preparados com base em substratos de face de silício (face Si), e sua tecnologia epitaxial é relativamente madura. No entanto, nos últimos anos, a epitaxia 4H-SiC da face do carbono (face C) tem gradualmente atraído a atenção dos pesquisadores devido às suas vantagens únicas no controle de defeitos, morfologia da superfície e propriedades de interface.
Em comparação com a superfície de Si, a camada epitaxial 4H-SiC na superfície C tem uma maior eficiência de conversão de luxações do plano basal para luxações de borda, o que ajuda a reduzir a densidade de BPD e a melhorar a confiabilidade dos dispositivos bipolares. Além disso, a epitaxia do plano C pode atingir uma superfície lisa sem foco escalonado sob condições de crescimento mais amplas, o que é benéfico para reduzir a corrente de fuga dos dispositivos MOS. Saitoh et al. descobriram que os MOSFETs de face C têm menor densidade de estado de interface e maior mobilidade de canal. Apesar da dificuldade de moagem do substrato da face C, da alta concentração de dopagem de fundo e da dificuldade de controlar a uniformidade, seu potencial no desempenho do dispositivo ainda merece uma exploração mais aprofundada.
1. Crescimento epitaxial e controle morfológico de 4H-SiC no substrato C-Face
A pesquisa de Zhao et al. indica que a obtenção de camadas epitaxiais de face C de alta qualidade depende fortemente do controle preciso dos principais parâmetros de crescimento, incluindo a relação C/Si, temperatura de crescimento e tempo de gravação com hidrogênio.
1.1 Controle da Morfologia da Superfície por Parâmetros de Crescimento
A relação C/Si é o principal fator que afeta o tipo e a densidade dos defeitos superficiais. A pesquisa mostrou que sob a condição de uma relação C/Si de 0,9, defeitos semelhantes a cenouras aparecem na superfície da camada epitaxial; Quando a relação C/Si é otimizada para 1,2, uma superfície semelhante a um espelho livre de defeitos pode ser obtida; Quando a relação C/Si é aumentada para 1,5, o excesso de carbono promoverá a formação de defeitos semelhantes aos dos cometas. Isto indica a existência de uma janela estreita de relação C/Si ideal para alcançar um crescimento livre de defeitos.
Fig. 1 Morfologia epitaxial de 4H-SiC na face C sob diferentes proporções C/Si
A temperatura de crescimento afeta diretamente o controle dos polimorfos cristalinos. A temperaturas abaixo de 1550°C, a superfície da camada epitaxial mantém um estado espelhado. No entanto, quando a temperatura subiu para 1575°C, começaram a aparecer defeitos nas inclusões de 3C-SiC, que foram atribuídos a núcleos de cristal 3C pré-existentes na superfície do substrato ou à contaminação de partículas na câmara de reação. Portanto, a temperatura moderada de crescimento é crucial para manter a pureza cristalina do 4H-SiC.
Fig. 2 Morfologia superficial do crescimento epitaxial de 4H-SiC no plano C em diferentes temperaturas de crescimento
1.2 Gravura com Hidrogênio e Formação de Defeitos
A duração do ataque com hidrogênio, como um processo de pré-tratamento in-situ antes do crescimento, tem um impacto crítico na integridade da superfície. A gravação curta (como 5 minutos) pode levar a um defeito triangular único perpendicular à direção fora do eixo. A forma deste defeito é semelhante a uma pirâmide invertida, e seu mecanismo de formação é devido à fácil formação de ligações CC na face C em um ambiente rico em carbono, o que interrompe o modo normal de crescimento do fluxo escalonado. Pelo contrário, o ataque excessivo irá exacerbar a rugosidade da superfície e induzir a focagem escalonada. A pesquisa mostrou que um tempo de ataque de cerca de 15 minutos é um ponto de equilíbrio para a obtenção de uma superfície ideal.
Fig. 3 Imagens microscópicas do crescimento epitaxial de 4H-SiC na superfície C em diferentes tempos de ataque
A análise de microscopia de força atômica mostra que, ao otimizar os parâmetros acima, uma superfície atomicamente plana pode ser obtida na face C, com uma rugosidade quadrática média (RMS) tão baixa quanto 0,208 nm (C/Si = 1,2). Em comparação com a face Si, a rugosidade superficial da camada epitaxial da face C é menos sensível à temperatura de crescimento e às flutuações da relação C/Si, indicando seu potencial para obter superfícies lisas dentro de uma janela de processo mais ampla.
Fig. 4 Imagens AFM de camadas epitaxiais de 4H-SiC cultivadas em (a) superfície C e (b) superfície Si sob diferentes condições de crescimento
2. Verificação de desempenho do C-Face 4H-SiC Schottky
A alta qualidade dos materiais é a base dos dispositivos de alto desempenho. Roth et al. fabricou diodos de barreira Schottky (SBDs) usando materiais epitaxiais SiC 4H de face C de alta qualidade e pilhas de metal Ti / Al, e caracterizou minuciosamente suas propriedades elétricas.
2.1 Características de contato Schottky ideais
A observação da interface semicondutora metálica Ti / Al por microscopia eletrônica de transmissão (TEM) revela ainda que a interface de contato apresenta um estado atomicamente suave sem camada de reação de interface óbvia, o que fornece uma garantia para a formação de contato Schottky ideal.
Fig. 5 Imagem TEM da interface semicondutora metálica Ti/Al
A altura da barreira Schottky (ΦB) extraída através do teste de tensão de corrente (IV) é de aproximadamente 1,20eV e apresenta boa uniformidade entre os diferentes dispositivos (distribuída entre 1,15-1,22eV). Este valor foi posteriormente validado através do gráfico de Arrhenius. O teste de tensão de capacitância (CV) mostra que a concentração de dopagem da camada epitaxial é uniforme, cerca de 9,6 × 1015cm-3.
Fig. 6 Propriedades elétricas do diodo de barreira Schottky 4H-SiC de face C: (a) Linear IV, (b) Log (I) - V, (c) Gráfico de Arrhenius
2.2 Excelentes características de alta temperatura e desempenho de comutação
A medição IV dependente da temperatura revela o excelente desempenho dos diodos Schottky epitaxiais do plano C. Em temperaturas de até 200°C, a corrente de fuga reversa do dispositivo ainda é suprimida em <6pA, em um nível extremamente baixo, demonstrando sua excelente estabilidade em altas temperaturas.
Mais importante ainda, suas características de condução direta exibem uma dependência única da temperatura: quando a corrente direta está abaixo de 1μA, a tensão direta diminui com o aumento da temperatura; Quando a corrente é superior a 1μA, a tensão direta aumenta com a temperatura. Este comportamento ajuda a reduzir o tempo de recuperação reversa do diodo, melhorando significativamente a velocidade de comutação do dispositivo, o que é crucial para aplicações de energia de alta frequência.
Em resumo, regulando a relação C / Si, a temperatura de crescimento e o tempo de gravação com hidrogênio, pode ser alcançado um crescimento epitaxial de 4H-SiC de face C atomicamente plana e de alta qualidade. O diodo de barreira Schottky preparado com base no wafer epitaxial 4H-SiC de face C exibe alta altura de barreira, excelentes características de bloqueio em alta temperatura e desempenho de comutação exclusivo, demonstrando totalmente o valor da aplicação da epitaxia de face C em diodos de potência de alta eficiência e alta confiabilidade.
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Referências:
- Zhao, Z., Li, Y., Xia, X., Wang, Y., Zhou, P., & Li, Z. (2020). Crescimento de camadas epitaxiais de 4H-SiC de alta qualidade em 4 substratos de 4H-SiC fora do eixo. Jornal de Crescimento de Cristal, 531, 125355.
- Voo, QGR, Yeo, AH, Bera, LK, Chand, U., Chien, YC, Nguyen, XS,… & Boudin, L. (2025, outubro). Epitaxia C-Face para desempenho aprimorado de dispositivos SiC: Insights de diodos de barreira Schottky. No Fórum de Ciência de Materiais (Vol. 1159, pp. 9-13). Publicações de tecnologia Trans Ltd.