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碳化硅(SiC)在大功率、高溫、高頻等極端條件應(yīng)用領(lǐng)域具有很好的前景
。但盡管商用4H-SiC單晶圓片的結(jié)晶完整性***近幾年顯著改進,這些晶圓
的缺陷密度依然居高不下。經(jīng)研究證實,晶圓襯底的表面處理時間越長,
則表面缺陷率也會跟著增加。
碳化硅(SiC)兼有寬能帶隙、高***穿場強、高熱導(dǎo)率、高載流子飽和
速率等特性,在大功率、高溫、高頻等極端條件應(yīng)用領(lǐng)域具有很好的前景
。盡管商用4H–SiC單晶圓片的結(jié)晶完整性***近幾年顯著改進,但這些晶圓
的缺陷密度依然居高不下。
經(jīng)研究證實,晶圓襯底的表面處理時間越長,則表面缺陷率也會跟著
增加。表面缺陷嚴(yán)重影響SiC元件品質(zhì)與矽元件相比,碳化硅的能帶隙更寬
,本征載流子濃度更低,且在更高的溫度條件下仍能保持半導(dǎo)體特性,因
此,采用碳化硅材料制成的元件,能在比矽元件更高的工作溫度運作。碳
化硅的高***穿場強和高熱導(dǎo)率,結(jié)合高工作溫度,讓碳化硅元件取得極
高的功率密度和能效。
如今,碳化硅晶圓品質(zhì)和元件制造制程顯著改進,各大半導(dǎo)體廠商紛
紛展示了高壓碳化硅解決方案,其性能遠(yuǎn)超過矽蕭特基勢壘二極體(SBD)和
場效應(yīng)電晶體(FET),其中包括阻斷電壓接近19kV的PiN整流管;擊穿電壓高
于1.5kV的蕭特基二極體;擊穿電壓高達1.0kV的 mosFET。
對于普通半導(dǎo)體技術(shù)特別是碳化硅元件,襯底材料的品質(zhì)極其重要。
若在晶圓非均勻表面上有機械性紊亂區(qū)和氧化區(qū),使用這些晶圓制造出的
半導(dǎo)體元件,其產(chǎn)品性能將會受到影響,例如重組率提高,或者在正常工
作過程中出現(xiàn)無法預(yù)見的性能降低現(xiàn)象。商用碳化硅晶圓需要機械拋光處
理,晶圓表面容易被刮傷,經(jīng)常看到晶圓上有大量的刮痕。
過去的研究報告證明,如果在外延層生長前正確處理襯底表面,晶圓
襯底表面上的缺陷將會大幅減少,這是生長高品質(zhì)外延層的關(guān)鍵所在。我
們知道,氫氣蝕刻方法可以去除數(shù)百奈米的體效應(yīng)材料,從而改善晶圓表
面的缺陷問題。
S. Soubatch等科學(xué)家研究了在1,400~1,600℃溫度范圍內(nèi)氫氣氣相蝕
刻方法對零偏4H-SiC(0001)晶圓的形貌和結(jié)構(gòu)的影響。在1,600℃高溫時,
兩種不同的蝕刻缺陷比較常見,分別是在臺階流程式蝕刻期間形成的缺陷
,以及結(jié)構(gòu)性蝕刻缺陷。
前者包含大階梯和全晶包高度臺階,后者則以螺型位錯為典型。***好
的表面形貌是有一系列等距臺階的區(qū)域,生長在1,400℃。
C. Hallin等科學(xué)家研究了采用氫氣和氫丙烷蝕刻系統(tǒng)的4H-SiC和6H-
SiC襯底表面原位制備方法。研究發(fā)現(xiàn),蝕刻后4H零偏表面更加不規(guī)則,有
大臺階區(qū)和蝕坑,可能原因是在缺陷區(qū)蝕刻速率較高;與表面平行的微管和
晶粒邊界變大,形成三角形蝕坑,表面滲有微管和其它位錯。然而,我們
在4H氫氣蝕刻晶圓上看到更寬的帶狀缺陷,即層錯。透過在氫氣蝕刻流程
增加丙烷,可以取得***佳的蝕刻條件,可去除刮痕而不留下任何矽滴痕跡
。
該實驗研究了襯底表面的氫氣蝕刻時間對4H-SiC外延層缺陷的影響,
同時還用AFM分析法研究蝕刻時間對外延層表面的影響。
表面處理時間與缺陷率呈正函數(shù)關(guān)系
本文利用一臺東京威力科創(chuàng)(Tokyo Electron)出品的商用低壓力熱壁
化學(xué)氣相沉積(LP-CVD)反應(yīng)器,將蝕刻時間擴至正常生產(chǎn)所用時間的三倍
,觀察研究生長前蝕刻時間對同質(zhì)外延層的影響。經(jīng)過檢查與分析發(fā)現(xiàn),
蝕刻時間與缺陷率之間關(guān)系明顯。此外,***探針CV和FT-IR測量結(jié)果證明,
摻雜和晶圓厚度均勻性也與蝕刻時間有關(guān)系。
該實驗使用反應(yīng)器完成同質(zhì)外延層生長,透過SiH4/C3H8系統(tǒng)分別供給
矽和碳。載氣和外延層生長還原劑使用高純度工業(yè)級氫氣氣體;添加10%的
氮氣氣體充當(dāng)摻雜劑。本實驗中使用的反應(yīng)器是東京威力科創(chuàng)出品的商用
低壓力熱壁化學(xué)氣相沉積反應(yīng)器。在偏向方向4°的4H-SiC(0001)矽面n-型
(~1018at/cm-3)襯底上,生長1E16 at/cm3 n-摻雜濃度的n-SiC外延層,
以避免外延層上形成粗糙的馬賽克圖形。
本實驗針對中高壓二極體或MOSFET生長9.0微米薄膜外延層;操縱變因
為蝕刻時間,分別使用二分之一參考蝕刻時間、參考蝕刻時間、兩倍參考
蝕刻時間和三倍參考蝕刻時間來研究其外延層的研究生長過程;摻雜濃度為
1E16 atm/cm3。
KLA-Tencor Candela CS920是一個晶圓表面缺陷檢查系統(tǒng),可以在一
個單一檢測平臺上實現(xiàn)表面探測和光致發(fā)光(PL)技術(shù),用于檢測微蝕坑、
蘿卜狀蝕坑、彗星狀蝕線、三角形蝕坑和層錯等表面缺陷。透過參數(shù)不同
的通道之間的交叉相關(guān)(鐳射波長、表面角度、散射光幅度),實現(xiàn)巨集微
缺陷檢測和自動分類。