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    高溫化學氣相沉積法(HTCVD)生長碳化硅晶體簡介

    發表時間: 2021-03-26 21:32:33

    作者: 江蘇超芯星半導體有限公司

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    超芯星在國內率先推出HTCVD法碳化硅單晶生長爐,將有助于提高碳化硅單晶襯底片質量、加大碳化硅襯底片供應力度、降低碳化硅襯底片成本,推動器件更新換代以及半導體產業整體升級,早日打破國際技術壁壘,實現第三代半導體國產化。

    碳化硅是寬禁帶半導體材料,又被稱為第三代半導體。近年來,隨著碳化硅器件在電動車行業的大規模應用,碳化硅器件市場規模迅速擴大。預計到2027年,市場規模將超過100億美元,復合增速達40%。然而碳化硅產業的源頭和支撐——單晶材料的產能十分有限,價格居高不下,導致整體市場無法大規模普及。

    目前國際上通用的碳化硅單晶生長方法有PVT法(物理氣相沉積法)和HTCVD法(高溫化學氣相沉積法)。但由于PVT法本身的局限性,如無法連續生長、晶體質量不易控制、生長速度較慢等,HTCVD法逐漸被市場重視。

    上個世紀90年代,瑞典林雪平大學(Linkoping UniversityIFM系(化學物理生物系)的科研團隊發明了HTCVD法制備碳化硅晶體。90年代末,該課題組部分成員成立瑞典Norstel公司,將其研究成果轉化并在生產中不斷改進,隨著市場的激增原材料供不應求歐洲的意法半導體(STMicroelectronics)集團將其收購。此外,日本的豐田(TOYOTA)集團、電裝(DENSO)集團等規?;褂?/span>HTCVD法制備碳化硅晶體。

    HTCVD法是指在2000~2500的高溫下,通過導入高純度的硅烷(silane)、乙烷(ethane)或丙烷(propane)、氫氣(H2)等氣體,先在高溫區生長腔進行反應,形成碳化硅前驅物,再經由氣體帶動進入低溫區的籽晶端前沉積形成碳化硅晶體的方法。相比于PVT法生長碳化硅晶體,HTCVD法生長碳化硅晶體有以下幾個優點:

    1、可持續生長

    PVT法使用碳化硅固體原料,其填充有限因此生長的晶體長度受限。HTCVD法可持續向爐腔供應氣體源料,進而實現晶體持續生長。

    2、純度高

    碳化硅襯底中的B、Al、V、Ti雜質對下游器件性能影響較大。PVT法使用固體原料,雜質種類較多,且不易完全去除。HTCVD法使用的原料是高純氣體,雜質相對較少。兩種方法生長的碳化硅晶體雜質成分對比可知,HTCVD法生長的晶體雜質含量比PVT法生長的晶體的低1~3個數量級。

    1 PVT 法和HTCVD法生長的碳化硅晶體雜質成分對比(數據源自日本電裝集團)

     

    3、質量優

    PVT法在固態碳化硅粉料加熱過程中,由于原料的非一致升華,導致在氣相組分中硅原子數遠遠大于碳原子數,高非化學計量比導致硅和碳相分離,硅在氣相中聚集,碳在固相中聚集。從理論上而言,保持硅/碳比例在生長界面附近為1:1是最理想狀態,但在實際生長過程中很難實現。因此,晶體缺陷需要更多的技術手段去控制,仍不能達到一個較高的良率。

    HTCVD法原料是氣體,直接在籽晶表面發生化學反應生成晶體,能夠有效通過氣體的流量來控制生長過程的硅/碳比例,降低因偏離劑量比所造成的晶體缺陷,同時也能夠有效控制摻雜量、晶型等,制備的n型或p型碳化硅晶體缺陷較少。

     4、生長速率高

    制約碳化硅襯底行業成本的一個較大因素是生長速率低,PVT法生長碳化硅晶體的速率通常只有幾十到幾百個微米每小時,這嚴重制約了產能。為了滿足市場需求,需要布局成千上萬臺單晶爐。HTCVD法基于本身的高溫和氣體原料的因素,可以實現晶體高速生長。根據日本可見公開報道,HTCVD法晶體生長速率目前最快可達9.2毫米每小時,是PVT法生長速率的2~3個數量級。不僅可以極大的縮短生產周期降低時間成本,也可以減少單晶爐的固定資產投入。

     5、成本低

    由于HTCVD法不需要粉料合成、預處理等工序,氣體原料成本低,生長速率快周期短產能高,設備投入綜合成本低,因此可以大幅降低碳化硅晶片的生產成本。

     

            江蘇超芯星半導體有限公司在國內率先推出HTCVD法碳化硅單晶生長爐,將有助于提高碳化硅單晶襯底片質量、加大碳化硅襯底片供應力度、降低碳化硅襯底片成本,推動器件更新換代以及半導體產業整體升級,早日打破國際技術壁壘,實現第三代半導體國產化。


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