مشکلات و چالش ها

همانطور که گفتیم SiC فرم های کریستالی بسیار زیادی دارد. چند سالی 6H-SiC تکنولوژی رشد خیلی پیشرفته ای را به منظور استفاده از حجم نسبتا بالای آن به عنوان زیرلایه برای دیودهای GaN با تابش آبی داشت اما در حال حاضر بیشتر از نوع 4H آن برای این منظور استفاده می شود. در حقیقت ماده ای که ترجیحا برای بسیاری از کاربردهای الکترونیکی بکار می رود 4H-SiC می باشد که تحرک پذیری آن تقریبا 10 برابر بیشتر از 6H-SiC می باشد. در حال حاضر ویفرهای تجاری 4H-SiC با قطرهای mm75 و mm100 وجود دارند. زیرلایه هایی با مقاومت کم (نوع n و p) و فرم های نیمه عایق در دسترس می باشند، گرچه زیرلایه هایی با مقاومت متوسط تا بالا که برای قطعات ولتاژ بالا مناسب می باشند، در دسترس نیست. بنابراین قطعات نوعا بر روی لایه های اپیتکسی و با استفاده از فرایند CVD دیواره داغ با ضخامت بیش از µm100 و چگالی آلایش خیلی کم cm-3 1014 رشد داده می شوند. طول عمر حامل این مواد در مرتبه چند صد نانوثانیه می باشد که آنها را برای ساخت قطعات دو قطبی با توانایی مسدود کردن ولتاژ تا KV10 مناسب ساخته است.
از نظر تاریخی مشکل اساسی SiC وجود میکروپایپ ها در زیرلایه ها می باشد. گرچه موادی با چگالی میکروپایپ اساسا صفر در حال حاضر در دسترس می باشد (که در عرض چند سال از cm-2 1000 کاهش یافته است)، این نشان می دهد که SiC برای ساخت قطعات چند میلی متر مربعی با بازدهی قابل قبول مناسب می باشد.در حال حاضر اهمیت نقص ها از میکروپایپ ها به جابجاشدگی ها انتقال یافته است که وابستگی مستقیمی بین چگالی جابجا شدگی و ولتاژ شکست کاهش یافته وجود دارد. بطوریکه چگالی جابجاشدگی کمتر از cm-210 برای ساخت قطعات قدرت با عملکرد دما بالا (مقدار جریان نوعا cm-210000 است که به سرعت کاهش می یابد). مشکل بیشتر درباره یکنواختی آلایش در ضخامت ویفر و در هر دفعه لایه نشانی می باشد.
یکی از فواید اساسی SiC این است که آن اکسید می شود و یک لایه سطحی پایداری از SiO2 را شکل می دهد. همچنین در این فرایند CO2 آزاد می شود. با این حال مشخصات جزیی آن اکسید بین SiC و SiOx می باشد و به مقدار قابل ملاحظه ای با Si متفاوت می باشد. نرخ اکسید شدن بستگی به جهت کریستالی دارد و در وجه Si خیلی کندتر از وجه C می باشد و بنابراین وجه C دارای خصوصیات اکسیدی بهتری نسبت به وجه Si می باشد. دمای اکسید شدن بطور نرمال ~1100°C است و برخلاف Si بازپخت پس از اکسید شدن در محیط هیدروژن، تاثیر خیلی کمی در کاهش چگالی حالت ها در سطوح واسط دارد. چگالی حالت های واسط نوع کریستالی 4H به سرعت به سمت لبه باند هدایت افزایش می یابد که براساس پذیرنده های مربوط به کربن که درست زیر لبه باند هدایت 4H قرار دارند، توضیح داده می شوند. چنین نقوصی بطور موفقی توسط عملیات سطحی استاندارد یا بازپخت پس از اکسید برطرف نشده اند اما آنها را می توان با وارد کردن نیتروژن در حین اکسید یا بازپخت پس از اکسید کاهش داد.
خصوصیات و مشخصات شکست و پایداری SiO2 برای قطعات نیمه هادی MOS بسیار مهم می باشد اما متاسفانه موقعیت آن به اندازه Si مورد توجه قرار نگرفته است. برای طراحی ساده یک ترانزیستور اثر میدانی MOS (MOSFET)، نسبت ثابت های دی الکتریکی SiC و SiO2 ، یک میدان سطحی حدود 5/2 برابر اکسید را نسبت به SiC تولید می کنند. بنابراین با دستیابی به تمام فواید میدان شکست Mcm-1 5/2 SiC، اکسید باید تا Mcm-1 25/6 مقاومت داشته باشد که بیشتر از مقدار آن در Si می باشد. با این حال آن را می توان با استفاده از ساختارهای پیچیده تر یا با طراحی دقیق تر کاهش داد. تنش های میدان بالای اکسیدها نشان داده است که آنهایی که در محیط مرطوب رشد داده شده اند در میدان های کمتری نسبت به اکسیدهایی که در محیط خشک رشد داده شده اند، شکسته می شوند و مطالعات نشان داده است که طول عمر اکسیدها به سرعت در دماهای بالا افت پیدا می کند. تزریق الکترون به اکسید نسبت به Si موثرتر می باشد که بخاطر سد انرژی کمتر و نقوص کاهش یافته و پایدارتر آن می باشد. به علاوه سد نفوذ و تزریق حفره ها خیلی کمتر می‌باشد که مطلوب نمی باشد، زیرا حفره ها به اکسیدها آسیب وارد می کنند. فرایندهای ساخت ماسفت های قدرت SiC در شکل 2 آورده شده است.

آلایش انتخابی ویفر SiC از طریق جاسازی یونی اهمیت زیادی در ساخت قطعات دارد و مطالعات زیادی برای وارد کردن یون اتم های آلاینده به داخل SiC انجام شده است. به منظور بازپخت نقص های ویفر و فعال سازی آلاینده، ضروری است که ویفر را پس از دستکاری، در دماهای بالا بازپخت کنیم. این کار نوعا در دماهای بالایی همچون 1700°C انجام می شود که از نظر تکنولوژیکی این کار بخاطر ناپایداری سطح SiC در چنین دماهایی مشکل می باشد و اتم های Si در دمای بالای 1400°C تبخیر می شوند و استوکیومتری ناحیه نزدیک سطح تخریب می شود و منجر به تشکیل پله های ماکرویی و ورود نقص ها می شود. این فرایند را می توان با استفاده از فشار Si در کوره بازپخت که با استفاده از اتمسفر سیلان وارد می شود یا با پوشاندن ویفر توسط یک ماده قوی تری همچون گرافیت، کاهش داد.

SiC در الکترونیک قدرت

ویژگی های فیزیکی بارز SiC، آن را یکی از مهمترین موادی ساخته است که برای ساخت قطعات نیمه هادی با توان بالا و دمای بالا مناسب می باشند. در نتیجه تلاش هایی تحقیقاتی بسیاری در زمینه ساخت انواع زیادی از قطعات نمیه هادی با SiC متمرکز شده است. بطوریکه دیود شاتکی، ترانزیستور اثر میدان پیوندی (JFET)، MOSFET و قطعات ترانزیستور پیوندی دو قطبی (BJT) توجه زیادی را جلب کرده اند. گرچه پیشرفت قابل ملاحظه ای در گسترش SiC MOSFET صورت گرفته است، ورود آنها به الکترونیک توان بالا توسط تحرک پذیری کم کانال، پایداری کم اکسید گیت و ناپایداری ولتاژ آستانه محدود شده است.. قبلا قطعات دو قطبی برای کاربردهای ولتاژ بالا مناسب بودند و در حال حاضر شاید قطعات JFET تک قطبی مهم تر باشند. تفاوت ساختاری دیودهای JFET و MOSFET در شکل3 آورده شده است.

در سال های اخیر، طراحی های زیادی روی JFETهای توان SiC صورت گرفته است. آنها شامل JFETهایی با کانال کنترل جریان جانبی یا عمودی در بالای ناحیه رانش می باشند. یک ساختار عمودی معاوضه مناسبی را بین توانایی تنظیم جریان بالا و توانایی مسدود سازی ولتاژ بالا بوجود می آورد. از دیدگاه فرایند ساخت، این ساختار بطور ساده ای با شکل گیری پیوندگاه عمودی pn بوجود می آید که با جاسازی یونی بجای رشد همبافته بر روی زیرلایه بوجود می آید. نواحی گیت این قطعات نوعا با جاسازی عمیق توسط انرژی یونی چندین مگا الکترون ولت یا با خوردگی گودال ها همراه با جاسازی در انرژی های یونی نسبتا کم در رنج چند صد الکترون ولت (TI-VJFET) ساخته می شوند. پیشرفت های زیادی در (TI-VJFET) بسته به ضخامت لایه رانش n- (WD) ، قطعاتی با توانایی مسدود سازی سد KV14 (در WD=115µm) بوجود آورده است. عملکرد دما بالای SiC VJFET ها برای رنج وسیعی از کاربردها ضروری می باشد. در حال حاضر تنها SiC VJFET هایی با دمای 150°C و افت %40 چگالی جریان درین و SiC VJFET هایی با دمای پیوند 300°C و افت %30 جریان درین در دمای اتاق، گزارش شده اند.
یکی از مهمترین کلاس های نیمه هادی های قدرت، MOSFETها هستند که اهمیت استراتژی زیادی را در الکترونیک قدرت SiC دارند که بیشتر بخاطر عملکرد حامل های اکثریت و جریان گیت پایین در نرخ ولتاژهای نزدیک به KV5 می باشد. گرچه قطعات بسیاری با 4H-SiC ساخته شده اند، عملکرد آنها ناامید کننده می باشد که بیشتر بخاطر تحرک کانال نسبتا ضعیف آنها می باشد. با این حال اخیرا قطعاتی ساخته شده اند که از تکنیک اکسید نیترید استفاده می کنند و بویژه در وجه کربن کریستال SiC نتایج موثری منتج شده است. عامل پیچیده تر، میدان در SiC می باشد که باید به حدود MVcm-1 1 محدود شود تا از میدان های الکتریکی افزایشی در اکسید جلوگیری به عمل بیاید. این موضوع انتخاب زیربهینه آلایش و ضخامت لایه را ضروری می سازد.
قطعاتی که کانال مدوفون شده یا مد تخلیه ای دارند، بسیار جالب می باشند که به خاطر این است که میدان بزرگ را از سطح مشترک SiC/SiOX جدا می کنند و منجر به کاهش میدان سطحی و بهبود طول عمر می شوند. ماده انتخاب شده برای MOSFETهای ساخته شده بر روی وجه Si به نظر می آید که 6H-SiC می باشد اما نتایج اخیر بیانگر این است که ترانزیستورهای ساخته شده بر سطح (1120) تحرک پذیری بالاتری را هم برای 4H و هم 6H نشان داده اند.
SiC پتانسیلی برای ساخت قطعات دو قطبی دو بار تزریق را دارد که از آن جمله دیود یا ترانزیستور P-i-N است که پتانسیل مسدود سازی ولتاژ بیش از 25KV را با استفاده از لایه های ضخیم، آلایش کم و طول عمر طولانی دارد. در حال حاضر، تکنولوژی رشد SiC به زیرلایه هایی با آلایش کم و ضخامت کمتر از 100µm محدود شده است و طول عمر اندازه گیری شده آنها در بهترین حالت ~5µs می باشد. این موضوع حد بالای ~20KV را بر روی توانایی مسدود سازی ولتاژ هر قطعه عملی قرار می دهد. محدودیت های بیشتر از افت ولتاژ پیوند داخلی ناشی می شود که یک مشخصه دست نیافتنی هر قطعه دو قطبی می باشد و مقدار آن برای SiC ~2.8V است که قابل مقایسه با مقدار ~0.7V Si می باشد. به علاوه ساختارهایی با گیت MOS مثل ترانزیستور دو قطبی با گیت عایق شده (IGBT)، تنها زمانی موثر می باشد که مقاومت بالای ساختار MOSFET معادل را غالب سازد. با تکنولوژی کنونی MOS SiC، IGBT 4H-SiC در سطوح ولتاژ بیش از 4KV کار می کنند (در Si، IGBTها در ~300V موثر می باشند). نهایتا اینکه حضور ترازهای عمیق مربوط به آلاینده های نوع P معمول مثل Al و B، باعث توجه به ساختارهای مسدود کننده ولتاژ تحت شرایط دینامیکی شده اند.
در خصوص این عیوب نتایج نامطلوبی از فرم های خیلی معمول نیمه هادی توان دو قطبی گزارش شده است. دیودهای P-i-N با ولتاژ مسدود کنندگی بیش از 10KV و جریان 20A و ناحیه مرده حدودا 40mm2 و نرخ های جریان 40A تولید شده اند.. اخیرا نتایج امیدوارکننده ای برای BJTها گزارش شده است. این قطعات بهره جریان نسبتا بالایی (20-) و مقاومت موثر 0.8mΩcm2 (کمترین توان گزارش شده) با ضریب دمایی مثبت را نشان داده اند. توجه کنید که ساختار BJT افت ولتاژ مستقیم بالای قطعات دو قطبی دیگر را ندارد. تریستورهای معمولی و خاموش گیت (GTO) در سطوح ولتاژهای بین 400V و 2.6KV ساخته شده اند و اخیرا IGBT با کانال P ساخته شده است. همچنین علاقه قابل ملاحظه ای به دیودهای شاتکی ولتاژ بالا وجود دارد بطوریکه آنها بار ذخیره شده خیلی کمی دارند که برای مدارهای سوئیچ توان بالا اهمیت زیادی دارد. دیودهای شاتکی ای گزارش شده اند که با نرخ های مسدود سازی ولتاژ حدود 6KV و دماهایی حدود 500°C کار می کنند.

سنسورهای SiC

مشخصات مکانیکی عالی SiC همراه با پایداری دمایی بالای آنها، امکانات جدیدی را برای گسترش و پیشرفت قطعات MEMS با کاربردهای بیشتری نسبت به قطعات Si فراهم ساخته است. سنسورهای بدون فشار ارتعاشی نیاز به لایه بدون خراش مناسب (مانند SiO2) دارد که نیازمند توانایی هایی در زمینه رشد کریستالی دارد که از آنچه برای قطعات الکترونیک SiC بکار می رود، متفاوت است و آن توسعه تکنولوژی رشد می باشد که تعیین کننده نرخ پیشرفت تکنولوژی SiC MEMS می باشد. روش غالب، رشد لایه های 3C-SiC بر روی ویفرهای Si اکسید نشده می باشد که روشی را برای اندازه ویفرهای بزرگتر از SiC ماده حجیم در دسترس ارائه می دهد. اهمیت ویژه مربوط به محدود شدن تنش های باقی مانده می باشد که پس از رشد لایه های 3C-SiC وجود دارد زیرا سطوح بالای تنش باقی مانده، نسبت سیگنال به نویز را کاهش می دهد. استفاده از CVD در خلا بالا، محصولات نهایی را بهبود می بخشد بطوریکه رشد دما پایین (در دمای 900°C یا کمتر از آن) را ممکن می سازد، بطوریکه به مقدار چشمگیری تنش های بعدی را کاهش می دهند.
نوع دیگری از سنسورهای SiC، آشکارساز گازی می باشد که نوعا براساس خازن (فلز-عایق-نیمه هادی یا ساختار MIS) با اتصال تحریکی می باشد. لایه دی الکتریکی اجازه می دهد که این قطعات تا دماهایی بیش از 900°C با جداسازی فلز از SiC کار کنند. سنسورها با مکانیزم نسبتا ساده ای کار می کنند، گازهای هیدروکربن ورودی توسط فلز تحریک شونده تجزیه می شود بطوریکه هیدروژن و تعدادی تکه های گازی تولید می کند. این هیدروژن ها و دیگر مولکول های دارنده هیدروژن بیشتر تفکیک شده و اتم های هیدروژن را تولید می کنند که به سادگی به اتصالات تحریکی نفوذ می کنند و یک لایه بار دار شده ای را شکل می دهند. تفکیک و تجزیه مولکول های گازی در دماهای بالای 150°C در رنج زمانی کمتر از میلی ثانیه اتفاق می افتد. پیوند اتم های هیدروژن در ساختار دی الکتریک یک لایه بارداری را بوجود می آورد که مشخصات الکتریکی قطعه را تغییر داده و باعث آشکارسازی می شود. سرعت پاسخ سریع چنین سیستم هایی، سنسورهای SiC را برای آشکارسازی نمونه های گازی در محیط های به سرعت تغییر کننده مناسب ساخته است.
با وجود اینکه SiC شکاف باند غیر مستقیم دارد، آشکارسازهای ماورائ بنفشی از آن ساخته شده است که قابل مقایسه با دیگر مواد الکترواپتیکی با شکاف باند بزرگ مثل GaN می باشد. امتیاز آنها دسترسی به زیرلایه های بومی می باشد که اجازه ساخت ساختارهای عمودی با چگالی نقوص کمتر را می دهد. شکاف باند وسیع، غلظت حامل های ذاتی کمتری را تولید می کند که بطور تئوری جریان تاریکی کاهش یافته ای را می دهد.

جمع بندی

انواع مختلفی از قطعات الکترونیکی که با استفاده از تکنولوژی SiC ساخته شده اند، مورد بررسی قرار گرفت. فرصتهای امیدوارکننده ای برای الکترونیک SiC وجود دارد که ما را از پیشرفت در آینده مطمئن می‌سازد. بخث بر روی قطعات الکترونیکی نسبتا ساده و سنسورها متمرکز شده است اما باید توجه داشت که پتانسیل قابل ملاحظه ای در ساختارهای پیچیده تر متشکل از چندین چاه کوانتومی وجود دارد که از انواع مختلف پشته سازی در لایه های نازک ساخته شده اند که مشکلاتی همچون تشکیل مرز داخل فازی را غالب می سازد.
قیمتی که برای قطعات SiC وجود دارد قابل مقایسه با قطعات نیمه هادی سنتی مانند Si می باشد. فرصت های تجاری قطعات الکترونیکی SiC توسط ویژگی های نوع ماده اش محدود و توانا می شود.