碳化矽晶體成長技術發展：材料世界網

杜隆琦 / 工研院材化所

碳化矽屬於寬能隙化合物半導體材料，其優點為具有優異的崩潰電壓，在高電壓的操作環境底下依然保持穩定性，不容易產生漏電流，相當適合用於高功率轉換器等功率元件上；此外，碳化矽擁有高於矽2~3倍之熱導性，相較於矽基板更能將零件所產生的熱有效地帶走。碳化矽的晶體成長過程需要非常高溫，相較傳統的矽晶體成長溫度約1,500˚C，碳化矽的溫度高達2,500˚C，所以在長晶的過程中難度更高，也無法即時觀察晶體的生長狀況，需要控制的因素變得更加複雜。碳化矽晶體成長的方法有①高溫化學氣相沉積法、②液相法以及③昇華法，目前市場上主流使用的方法是採用昇華法成長碳化矽晶體，搭配模擬技術瞭解坩堝內部情形以得到高品質及高純度的碳化矽晶錠。

【內文精選】

碳化矽材料

相較於矽、鍺(Ge)等半導體材料，碳化矽為後期發展起來之寬能隙半導體材料。由於具寬能隙的特性，由碳化矽所製作的元件可於高溫的環境下工作，而不會使本質載子(Intrinsic Carrier)因熱讓電子從價帶移動到傳導帶產生完全傳導現象(Intrinsic Conduction Effect)；又由於寬能隙的特性，依照光電效應量子論，使得該材料可以發射和偵測短波長之光波，進而可以製作藍光二極體(Blue Light Emitting Diode)和檢測紫外光之光檢測器(UV Light Photodetector)。其餘的特性，如高於矽10倍的崩潰電壓、高於矽2~3倍的熱傳導係數以及飽和電子漂移速度(Saturated Electron Drift Velocity)，使得基於該材料所製作出電子元件具有高電壓、高電功率和高頻率等應用潛力。平行於c軸量測的碳化矽在目前技術可以達到的壓力範圍內，並無法得其液態，將在高於1,800˚C的溫度昇華。

從機械的特性來看，碳化矽具有僅次於鑽石的硬度，較矽高的彈性係數、化學惰性、高熱傳導係數、抗輻射及耐高溫等特性，使得基於碳化矽所製作的微系統元件具有堅硬、強韌及可工作於高溫、高輻射及高化學腐蝕的環境等優點。由於碳化矽具有眾多的優點，因此許多碳化矽的應用相繼被提出，這些應用可以分為五大類：①微結構，包含X射線光罩與隔膜，以及特殊微系統應用的微機械結構；②光電元件，包含以氮化物半導體元件成長的基材，如發光二極體和紫外線感測器；③高溫電子；④輻射電子；⑤高功率/高頻率電子。而多年來對碳化矽的研究主要集中在以下幾個方面：①高質量、低成本、低缺陷密度的單晶基材和薄膜磊晶技術；②高均勻的摻雜技術；③高品質之金屬及碳化矽的接點；④元件設計和加工技術；⑤可靠度研究。

碳化矽晶體成長技術

1955年Lely以昇華製程(Sublimation Process)得到更高純度的碳化矽，其反應爐管如圖三(a)所示，先將由Acheson法所製造的碳化矽置於圓柱形的石墨反應爐管內壁上，之後在碳化矽的內圓柱面再覆蓋以多孔隙石墨。將整個反應爐管加溫至約2,600˚C，使得碳化矽開始昇華，氣態的碳化矽將由內部之多孔石墨擴散至反應爐內，因反應爐內之溫度較低，使得氣態之碳化矽開始凝結。由於其結晶的過程沒有控制，所以由Lely法所形成的碳化矽碎晶片為任意大小和形狀。其成分約含有80%的6H型晶體結構，其餘依次為4H及15R的晶體結構。由於其不規則的晶片大小及多晶多型的晶格，使得由Lely法所製造出的碳化矽晶片，僅限於晶種或基底的應用。

圖三、碳化矽長晶系統示意圖，(a) Lely法；(b)改良Lely法

真正被廣泛應用在商業上的單晶碳化矽長晶法是由Tairov和Tsverkov於1978年所提出的改良Lely法(Modified Lely Process)，其方法為於Lely法中使用碳化矽晶種來控制碳化矽晶格的成長。如圖三(b)所示，於圓柱形的石墨反應爐內，將欲昇華的碳化矽粉末置於爐底，其上方放置所欲成長晶格方向之晶種。將反應爐加溫至大約2,300˚C，使得碳化矽粉末昇華並依照晶種的晶格方向結晶於晶種上。長晶的速率隨反應爐的溫度、壓力、溫度梯度及碳化矽粉末和晶種的距離而變，藉由控制長晶的溫度和晶種的方向，將可得到某一型之單晶碳化矽晶柱。

碳化矽運用以及產業發展

氮化鎵(GaN)與碳化矽(SiC)這兩種寬能隙半導體被稱為第三代半導體(如圖十)，因其具有更好的物理和化學特性，且擁有高功率、耐高溫、高崩潰電壓、高電流密度、高頻等特性，使晶片面積可大幅縮小，簡化周邊電路設計 ---以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。