SE1430022A1 - Billiga semi-isolerande SiC-substrat - Google Patents

Abstract

En aspekt av uppfinningen är att ta ett lågkostnads n-typ substrat (3) eller ett Si substrat (7) och odla ett SI epitaxiellt lager (2) som är omkring 50 um - 200 um tjockt. Enligt en annan aspekt kan ett SiC-lager som gjorts Semi-Isolerande och isotopanrikat användas som Sl-lagret (5). SI-egenskaperna kan åstadkommas genom dopning med vanadin eller djupa defekter under förutsättning att förhållandena är de rätta för att skapa dupa defekter. Ytan hos Sl-lagret (2, 5) kan poleras efteråt och prepareras för odling av en AlGaN/GaN epitaxiell struktur (1). Vid slutet av processningen kommer det ursprungliga substratet i alla fall att poleras bort och kvarlämna enbart ett SI pseudo-substrat (4, 6, 8) med HEMT-komponenter ovanpå.(Fig. 1)

Description

SI-substrat används huvudsakligen för att på dessa odla grupp III/N - HEMT-strukturer (High Electron Mobility). Grupp III-elementen är vanligen Al, Ga och In och mest vanlig numera är användningen av AlGaN/GaN HEMT - strukturer. Dessa strukturer processas till HEMT- komponenter, men före skivning av substratet till separata komponenter, tunnas substratet ned till 50 - 100 um tjocklek. Detta görs för att förbättra bortförsel av värme från komponenter. Ju lägre kanaltemperaturen hålls under drift, desto högre effektivitet erhålls hos komponenten och desto längre blir dess livstid: Värmen som produceras i kanalen kan lätt bilda dislokationer som begränsar effektiviteten och möjligen förstöra komponenten.

Semi-lsolerande (SI) substrat av SiC är väldigt dyra idag. Vanligen är de en faktor om tre eller fyra gånger dyrare än kvävedopade ledande substrat. Delvis kan detta förklaras med den mycket större producerade och sålda volymen av ledande substrat i förhållande till SI-substrat.

Men det är svårare att tillverka SI-substrat och utbyten är vanligen relativt låga. De två slagen av SI-substrat som produceras är de högrena substraten och de vanadindopade SI-substraten.

BESKRIVNING AV UPPFINNINGEN En första aspekt av uppfinningen är att ta ett lågkostnadssubstrat av n-typ, till exempel ett 4H SiC on-axis dopat substrat, eller ett n+ kvävedopat med 4 graders off-axis 4H SiC substrat, eller ett kvävedopat 6H-SiC substrat och på detta odla ett SI epitaxiellt lager som är l00 - 150 um tjockt, genom användning av t.ex. kemisk ångdeponering, CVD. SI-egenskapema kan åstad- kommas genom dopning med vanadin eller genom att välja odlingsvillkor som skapar djupa defekter vid en högre koncentration än grunda defekter i lagret. Dj upa defekter uppträder vanligen bara i koncentration höga nog för att göra materialet Semi-Isolerande om odlings- temperaturen är över 2000 °C. När odlingstemperaturen är lägre, är koncentrationen av de djupa defektema vanligen lägre än koncentrationema av grunda orenheter, såsom kväve, och det resulterande materialet kommer sålunda att vara av n-typ. Även C/Si-förhållandet kan varieras för att göra materialet SI. När C/Si-förhållandet ökas, dvs. mer kol introduceras i förhållande till Si, reduceras kvävedopningen, vilket häri genom kan minska bakgrundsdopningen av grunda defekter till under den för djupa defekter, som exempel kolvakanser.

Efter odlingen av SI-lagret, skall ytan poleras och förberedas för den epitaxiella odlingen med GaN/AlGaN. Vid slutet av processen skall det ursprungliga substratet i alla fall poleras bort och 10 15 20 25 30 endast lämna kvar det epitaxiella SI pseudo-substratet med HEMT-komponenter odlade på toppen av det odlade SI-lagret. Såvitt vi känner till har detta inte gjorts tidigare.

En andra aspekt av uppfinningen, vilken kan kombineras med den första aspekten, är att göra det SI SiC epitaxiella lagret isotopanrikat, vilket skulle förbättra den terrniska konduktiviteten och öka prestanda hos de slutliga komponenterna.

En tredje aspekt av uppfinningen är att ett SI-isotopanrikat substrat kan framställas och en GaN/AlGaN HEMT-komponent kan odlas och processas på det normala sätt som de framställs idag. Detta skulle vara kommersiellt fördelaktigt, eftersom de isotopanrikade substraten kom- mer att vara dyrare att framställa men likväl ha vissa fördelar: efter odlingen av GaN/AlGaN strukturen på SiC substraten kan skivans resistans lätt mätas, vilket är mer komplicerat (men ändå möjligt) om ett n+ substrat med ett ovan beskrivet SI isotopanrikat SiC-lager används.

En ytterligare aspekt, en fjärde aspekt av uppfinningen är att skapa ett tjockt SI-lager på ett reguljärt Si-substrat. Detta lager kommer att vara 3C-SiC och det kan naturligtvis göras isotop- anrikat. Före odling av en GaN/AlGaN HEMT struktur på det tjocka SI-lagret, krävs att ytan poleras. Efter processning, kommer Si-substratet at poleras bort på liknande sätt som tidigare beskrivits, där n+ SiC substratet poleras bort. Si-substratet blir mycket lättare att poleras (eller etsas) bort. SiC-lager som odlas på Si-substrat innehåller normalt mycket dislokationer de första 5 - 10 um och det år bra om denna 5 - 10 um del av det odlade SI SiC lagret också poleras bort.

EPITAXIELLA SEMI-ISOLERANDE SiC SUBSTRAT PRODUCERADE PÅ LÅGKOSTNADS Nl - SUBSTRAT Kostnaden för att producera ett SI SiC substrat av hög renhet vid användning av Physical Vapor Transport (PVT) är väsentligt högre än vid produktion av ett n+ SiC substrat. Renheten hos källmaterialet och de involverade grafitkomponentema måste styras och hållas mycket låga. SI-egenskapema härrör från djupa defekter, såsom kolvakanser som är förekommande med en låg koncentration i det odlade materialet vid dessa höga temperaturer. När väl koncentrationen av punktdefekter, såsom bor, aluminium och kväve blir tillräckligt låga dominerar de djupa defekterna och gör materialet Semi-lsolerande. N+ SiC substrat kräver inte en sådan rigorös rening av källmaterialet före odlingen. Försäljningsvolymen är vidare mycket högre, vilket väsentligt bringar ned priset på n+ SiC substrat.

När en GaN HEMT komponent produceras används ett högrenat eller vanadin-dopat Sl- substrat. Vanadinet gör också materialet SI. När väl komponenten är komplett tunnas substratet 10 15 20 25 30 vanligen ned till mellan 50 - 100 um. Vår tanke är att göra ett epitaxiellt lager om ungefär 100 um tjocklek på ett reguljärt lågkostnads n+ SiC substrat. Då GaN HEMT komponenten är framställd och när substratet är tunnat ned är det n+ substratet som är avlägsnat och kvarläm- nande enbart det SI epitaxiella lagret med GaN komponenten på toppen. Naturligtvis kan det SI epitaxiella lagret göras isotopanrikat, vilket skulle ge detta högre prestanda dessutom i jämförelse med ett reguljärt SI-substrat.

GaN/AlGaN HEMT KOMPONENT PÅ SI ISOTOPANRIKADE SIC SUBSTRAT Om det skulle visa sig att svårighetema med att mäta skivresistansen är för stora kan ett full- ständigt isotopanrikat SiC-substrat framställas (omnämnt som den tredje aspekten). Detta kan åstadkommas med hjälp av olika odlingstekniker, t.ex. PVT, HTCVD eller CVD. Groddkris- tallen kan bestå av naturligt SiC, men källgasema som används skall/måste vara isotopanrikade.

Specifikt måste kiselkällgasema vara isotopanrikade. eftersom detta har den största inverkan på den termiska konduktiviteten. Kolkällgasen behöver inte vara isotopanrikad, eftersom den endast kommer att förbättra den terrniska konduktiviteten med ytterligare två till tre procent enligt beräkningar. Om kristallen är tjock nog efter odlingen, kan den skivas till substrat som kan slipas och poleras på det vanliga sättet för att framställa ett fint isotopanrikat substrat färdigt för GaN/AlGaN epitaxiell tillväxt. Om kristallen är tunnare kan den slipas direkt och poleras utan att skivas. Det är viktigt att slipa bort det ursprungliga lagret helt om detta är naturlig SiC.

Den återstående proceduren följer standardproceduren, dvs. att en GaN/AlGaN HEMT struktur odlas, och eftersom hela substratet är SI, karakteriserat med avseende på skiktresistans och slutligen processat till komponenter. Slutligen, efter processning men före kapning, tunnas substratet ned till omkring 50 - 100 um.

En slutsats som kan dras från beskrivningen är att framställning av en HEMT-komponent på ett SI isotoprent substrat skulle vara ett väsentligt dyrare sätt för att producera en HEMT än att odla ett 100 um tjockt lager på toppen av ett n* substrat. Det skulle också uppstå ett slöseri med isotoprent material. Den enda fördelen med att använda ett helt isotoprent SI SiC substrat skulle vara det faktum att karakteriseringsmetoder enligt rutiner etablerade inom produktionen kan användas.

Om karakterisering anses väsentligt, kan ett naturligt SI SiC substrat användas före odling av ett isotopanrikat SI-lager på toppen av detta. Detta skulle å andra sidan göra den dyrare. Alter- nativt kan ett naturligt SI epitaxiellt lager odlas på ett n+ SiC substrat följt av ett isotopanrikat 10 15 20 25 30 SI SiC lager. N+ lagret kan därefter slipas före odlingen av det epitaxiella GaN/AlGaN lagret.

Detta skulle möjliggöra användning av rutinmässig karakterisering, men strukturen skulle vara något dyrare än att enbart odla ett isotopanrikat SI-lager direkt på toppen av ett n+ SiC substrat.

Ett sätt för att åstadkomma isotopanrikat material är att använda isotopanrikat källmaterial (i form av pulver eller bitar, när SiC-materialet odlas. Vid odling enligt PVT-metoden används isotopanrikat pulver direkt som källmaterial i reaktom. Vid odling enligt HTCVD-metoden produceras pulvret på plats i reaktom genom reaktion av isotopanrikade källgaser t.ex. silan och metan eller etylen. Pulvret eller källgaserna behöver bara vara anrikade på Si-sidan, vilket skulle ge kristallerna något mer än 20% förbättring av den termiska konduktiviteten jämfört med naturligt SiC. Med uttrycket "anrikat bara på Si-sidan avses att endast Si-atomema innehållna i källmaterialet (pulver, bitar, källgaser) behöver vara isotopanrikade. Naturligtvis kan ett fåtal procents ökning av den termiska konduktiviteten åstadkommas om pulvret är anrikat även på kolsidan (C-atomema innehållna i källmaterialet), men frågan är om detta är ekonomiskt försvarbart.

Vid PVT-odling är pulvret vanligen syntetiserat genom användning av kiselpulver och grafitpulver i en het omgivning. Det framställda materialet krossas vanligen för att bilda bitar eller partiklar. För att göra isotopanrikat SiC skulle man normalt använda zgSi isotopen, vilken har den högsta naturliga förekomsten och därigenom är den som det är enklast att separera till hög renhet och lägsta kostnad. På motsvarande sätt används "C isotopen på kolsidan (MC har 98,9% förekomst i naturen). "C är ganska lättillgänglig som en biprodukt vid framställning av BC för medicinsk användning. Vid HTCVD-odling framställs pulvret, som nämnts, på plats genom reaktion hos källgaser vilka vanligen är silan och etylen. Metan kan användas här, också med en lätt modifiering av odlingsparametrama. För att framställa isotopanrikade kristaller eller tjocka epitaxiella lager under användning av HTCVD skulle man återigen använda 28SiH4 och 12CH4 som källgaser. Som nämnts är användning av isotopanrikad kolkälla inte nödvändig för att erhålla tillräckligt god förbättring av termisk konduktivitet. Det är viktigast att anrika på Si-sidan. lsotopanrikatzgSi med en renhet på 99% (92,23% förekomst i naturen) skulle ge en ökning av den termiska konduktiviteten om cirka 20% utan någon anrikning på kolsidan enligt beräkningar. Det är inte svårt att anrika upp till 99% och det är förekommande med högre anrikning (bättre än 99,9%). Den ytterligare anrikningen på Si-sidan från 99% upp till 99,9% skulle förbättra konduktiviteten med kanske en ytterligare procent. Anrikning på kolsidan skulle lägga till ytterligare 2 - 4 % till den terrniska konduktiviteten. 10 15 20 25 LISTA ÖVER FIGURER Fig. la och lb visar schematiskt att tvärsnitt av ett substrat vid en beskrivning av en metod för att framställa en HEMT-struktur genom användning av ett lågkostnads-, konventionellt n+ SiC substrat.

Fig. 2a och 2b visar schematiskt ett tvärsnitt av ett substrat vid en beskrivning av en metod for att framställa en HEMT-struktur genom användning av ett Semi-Isolerande SiC substrat.

Fig. 3 och 3b visar schematiskt ett tvärsnitt av ett substrat vid en beskrivning av en metod för att framställa en HEMT-struktur genom användning av ett lågkostnads Si substrat.

BESKRIVNING AV UTFÖRANDEN AV UPPFINNINGEN Processema för att realisera ett SI epitaxiellt SiC lager, på vilket HEMT-strukturer kan arrangeras, så som diskuterat ovan, beskrivs här med referens till ritningama.

Enligt den forsta aspekten av uppfinningen (se figurema la och lb) används ett n+ SiC bas- substrat 3 för att odla ett epitaxiellt -Isolerande SiC lager 2 på n+ SiC bas-substratet. Det SI epitaxiella lagret 2 kan odlas till en tjocklek s mellan 30 um och 350 um. En GaN/AlGaN HEMT struktur 1 på ett substrat bestående av lager 2 + 3 kan formas med konventionell teknik.

N+ SiC bas-substratet är ett lågkostnadsmaterial i förhållande till de konventionellt använda Semi-Isolerande SiC-substraten som en bas för odlingen av en HEMT-struktur. Kombinerade kan nu n+ SiC substratet 3 och det odlade SiC epitaxiella lagret 2 användas som substratet för odling av HEMT-strukturen l på SI-ytan av substratet 2+3. Efter polering av ytan och efter applicering av HEMT-strukturen 1 poleras eller etsas hela bas-substratet 3, och som option ett tunt lager av det odlade SI SiC lagret 2, bort för att bilda pseudo-substratet 4 så som visat i Fig. lb. Som nämnts tunnas substratet 2+3, efter det att HEMT-strukturen 1 är applicerad, ned till ett pseudo-substrat med en tjocklek om 50 um till 150 um eller föredraget 50 um till 100 um.

För att förbättra kvalitén hos substratet 2+3 kan det SI SiC epitaxiella lagret 2, enligt den andra aspekten av uppfinningen, göras isotopanrikad. Sättet för att åstadkomma detta diskuteras ovan för odling av ett sådan isotopanrikat SI SiC lager ovanpå bassubstratet 3 i en PVT-reaktor såväl som i en HTCVD-reaktor. I övrigt är de karakteriserande egenskapema desamma som i den första aspekten av uppfinningen. 10 15 20 25 30 Enligt den tredje aspekten av uppfinningen (Se figurema 2a och 2b) används ett konventionellt Semi-Isolerande substrat av kiselkarbid som bassubstrat 5. Men, i kontrast mot känd teknik är bassubstratet 5 i detta utförande isotopanrikat. Processerna för att nå frarn till isotopanrikat SiC- material beskrivs ovan för PVT- och HTCVD-reaktorer. På bassubstratet 5 odlas därefter ett GaN/AlGaN epitaxiellt lager 1. Bas-substratet 5 tjänar, i denna aspekt av uppfinningen, som ett enkelt lager för att odla en GaN/AlGaN epitaxiell struktur som lager l. Efter tillägget av sagda GaN/AlGaN epitaxiella lager l poleras eller etsas huvudparten av det ursprungliga bassub- stratet 5 bort i ett område offset från det påväxta epitaxiella lagret 1. Bassubstratet 5 använt i detta utförande kan lämpligen ha en tjocklek d omkring 350 um. Efter appliceringen av HEMT- strukturen l tunnas startsubstratet, i detta fall det enkla bassubstratet 5, ned till ett pseudo- substrat 6 med en tjocklek inom intervallet 50 < d < 150 um, eller företrädesvis inom intervalet 50 < d < 100. Se Fig. 2b.

Enligt den fiärde aspekten av uppfinningen används ett lågkostnads, reguljärt Si (kisel) substrat som bassubstrat 7. Ett SI SiC epitaxiellt lager 2 odlas på ytan av bassubstratet 7. Det odlade lagret 2 kommer att vara ett 3C-SiC polytyplager. Ett lager 1, liksom tidigare en GaN/AlGaN HEMT-struktur, odlas därefter på det polerade substratet 2+7 som består av det Si-baserade substratet 7 på det påväxta SI SiC lagret 2. Före applicering av GaN/AlGaN HEMT-strukturen 1 skall ytan på substratet 2+7 poleras. Detta åstadkoms genom bortpolering eller bortetsning av Si-bassubstratet 7 och föredraget även en tunn film av det applicerade SiC-materialet 2 uppgående till en tjocklek om, t.ex. 5 um till 10 um nämiast det avlägsnade Si-lagret. Den återstående delen av det Semi-Isolerande SiC epitaxiella lagret 2 bildar då ett pseudo-substrat 8 så som visas in Fig. 3b. Tj ockleken s hos lagret 2 kan även i detta utförande ligga i samma intervall som i den första aspekten av uppfinningen.

I utförandena diskuterade ovan utförs odlingen av det epitaxiella lagret på något av bassubstraten 3, 5, 7 företrädesvis som en on-axis odling.

Karakteriserande data för odling enligt uppfinningen: Tjockleken hos det odlade SI SiC lagret ligger i intervallet 30 um till 350 um. När ett SI- epitaxiellt lager är bildat ligger tjockleken företrädesvis inom intervallet 50 um - 200 um, eller mest föredraget inom intervallet 50 um - 150 um. När naturligt SiC odlas för att bilda SI SiC- lagret med isotopanrikade egenskaper, kan tjockleken hos lagret vara upp till 350 um.

Odlingsvillkoren för odling av SI-lagret är valda så att djupa defekter dominerar över grunda punktdefekter och åstadkoms genom något av stegen: 10 - odling av lagret i en temperatur mellan 1600 °C och 2200 °C, - eller, föredraget odling av lagret i en temperatur mellan 1650 °C till 2000 °C, - eller, mest föredraget odling av lagret i en temperatur mellan 1650 °C och 1900 °C.

Odlingsvillkoren for odling av SI-lagret är valda så att de djupa defekterna dominerar över ytdefekter och åstadkoms genom något av stegen: - under odlingen hålls C/Si-törhållandet mellan 0,9 - 3, - eller, företrädesvis hålls C/ Si-fórhållandet mellan 0,9 - 1,5 under odlingen.

Claims (11)

1. 0 15 20 25 30 PATENTKRAV 1. En metod för att odla ett Semi-Isolerande (SI) SiC lager (2), kännetecknad av att metoden innefattar stegen enligt ett av A) och B); A) - odling av SI-lagret på ett substrat (3, 7), - skapande av djupa defekter i det odlade SiC-lagret (2), varvid SI-egenskaperna skapas i det odlade lagret. B) - odling av ett SI SiC lager (5), - skapande av djupa defekter i det odlade SiC-lagret. Varvid SI-egenskaperna skapas i det odlade lagret, - användning av källmaterial under odlingen sådant att Si SiC-lagret (5) görs isotopanrikat. Metoden enligt patentkrav 1, där sagda djupa defekt skapas genom någon av: a) dopning med vanadin, b) djupa defekter som bildas under odlingen, c) en kombination av dopning med vanadin och grunda defekter. Metoden enligt patentkrav 1, när detta beror av altemativ A), där det odlade SI-lagret (2) har en tjocklek i intervallet 30 um till 200 um, föredraget i intervallet 50 um - 200 um, eller mest föredraget i intervallet 50 um - 150 um, och när detta beror av altemativ B) det odlade SI-lagret (5) har en tjocklek mellan 50 um och 350 um. Metoden enligt ett av patentkraven 1, 2b, 2c, där villkoren för odling av SI-lagret (2) är valda så att djupa defekter dominerar över grunda punktdefekter, vilket uppnås genom ett av stegen: - odling av lagret i en temperatur mellan 1600 °C och 2200 °C, - odling av lagret i en temperatur mellan 1650 °C och 2000 °C, - odling av lagret i en temperatur mellan 1650 °C och 1900 °C. Metoden enligt ett av patentkraven 1, 2b, 2c, där villkoren för odling av SI-lagret (2) är valda så att djupa defekter dominerar över grunda punktdefekter, vilket uppnås genom ett av stegen: - under odlingen hålls C/Si-förhållandet mellan 0,9 och 3, - under odlingen hålls C/Si-förhållandet mellan 0,9 och 1,5. 10 15 20 25 10. ll. 10 Metoden enligt patentkrav 1, där substratet är ett av: a) ett n+ SiC substrat, b) ett kiselsubstrat. Metoden enligt något av patentkraven l till 6, där det odlade SI-lagret är gjort isotopanrikat. En metod for att framställa en Grupp III-N HEMT-struktur (1) innefattande steget att odla sagda struktur ovanpå SI SiC lagret (2, 5) enligt något av patentkraven 1 till 7. Metoden enligt patentkrav 8, när SI SiC lagret (2) är odlat på ett substrat (3, 7) poleras substratet (3, 7) bort efter det att HEMT-strukturen har applicerats. Metoden enligt patentkrav 8, när SI SiC lagret är bildat i enlighet med patentkrav 1, alternativ B), tunnas SI SiC lagret (5) ned till mellan 50 um och 150 um efter det att HEMT-strukturen har applicerats. Metoden enligt ett av patentkraven 8 till 10, där grupp III-N materialet är ett av: a) AlGaN/GaN, b) en kombination av In, Ga, Al.