liu.seSearch for publications in DiVA
Change search
CiteExportLink to record
Permanent link

Direct link
Cite
Citation style
  • apa
  • harvard1
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • oxford
  • Other style
More styles
Language
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Other locale
More languages
Output format
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf
Improved morphology for epitaxial growth on 4° off-axis 4H-SiC substrates
Linköping University, Department of Physics, Chemistry and Biology, Semiconductor Materials. Linköping University, The Institute of Technology.
Linköping University, Department of Physics, Chemistry and Biology, Semiconductor Materials. Linköping University, The Institute of Technology.ORCID iD: 0000-0002-7171-5383
Linköping University, Department of Physics, Chemistry and Biology, Semiconductor Materials. Linköping University, The Institute of Technology.ORCID iD: 0000-0001-5768-0244
Caracal Inc., 611 Eljer way, Ford City, PA, 16226, USA.
Show others and affiliations
2009 (English)In: Journal of Crystal Growth, ISSN 0022-0248, E-ISSN 1873-5002, Vol. 311, no 12, 3265-3272 p.Article in journal (Refereed) Published
Abstract [en]

A process optimization of the growth of SiC epilayers on 4° off-axis 4H-SiC substrates is reported. Process parameters such as growth temperature, C/Si-ratio and temperature ramp up conditions are optimized for the standard non-chlorinated growth in order to grow smooth epilayers without step-bunching and triangular defects. The growth of 6 μm thick n-type doped epitaxial layers on 75 mm diameter wafers is demonstrated as well as that of 20 μm thick layer. The optimized process was then transferred to a chloride-based process and a growth rate 28 μm/h was achieved without morphology degradation. A low growth temperature and a low C/Si ratio are the key parameters to reduce both the step-bunching and the formation of triangular defects.

Place, publisher, year, edition, pages
2009. Vol. 311, no 12, 3265-3272 p.
National Category
Chemical Sciences
Identifiers
URN: urn:nbn:se:liu:diva-15251DOI: 10.1016/j.jcrysgro.2009.03.037OAI: oai:DiVA.org:liu-15251DiVA: diva2:113759
Available from: 2008-10-29 Created: 2008-10-27 Last updated: 2015-03-11Bibliographically approved
In thesis
1. Chloride-based Silicon Carbide CVD
Open this publication in new window or tab >>Chloride-based Silicon Carbide CVD
2008 (English)Doctoral thesis, comprehensive summary (Other academic)
Abstract [en]

Silicon carbide (SiC) is a promising material for high power and high frequency devices due to its wide bandgap, high break down field and high thermal conductivity. The most established technique for growth ofepitaxial layers of SiC is chemical vapor deposition (CVD) at around 1550 °C using silane, SiH4, and lighthydrocarbons e g propane, C3H8, or ethylene, C2H4, as precursors heavily diluted in hydrogen. For high-voltagedevices made of SiC thick (> 100 μm), low doped epilayers are needed. Normal growth rate in SiC epitaxy is~ 5 μm/h, rendering long growth times for such SiC device structures. The main problem when trying to achievehigher growth rate by increasing the precursor flows is the formation of aggregates in the gas phase; for SiCCVD these aggregates are mainly silicon droplets and their formation results in saturation of the growth ratesince if the gas flow does not manage to transport these droplets out of the growth zone, they will eventuallycome in contact with the crystal surface and thereby creating very large defects on the epilayer making theepilayer unusable. To overcome this problem, high temperature- as well as low pressure processes have beendeveloped where the droplets are either dissolved by the high temperature or transported out of the susceptor bythe higher gas flow. A different approach is to use chloride-based epitaxy that uses the idea that the silicondroplets can be dissolved by presence of species that bind stronger to silicon than silicon itself. An appropriatecandidate to use is chlorine since it forms strong bonds to silicon and chlorinated compounds of high purity canbe purchased. In this thesis the chloride-based CVD process is studied by using first a single molecule precursor,methyltrichlorosilane (MTS) that contributes with silicon, carbon and chlorine to the process. Growth of SiCepilayers from MTS is explored in Paper 1 where growth rates up to 104 μm/h are reported together withmorphology studies, doping dependence of growth rate and the influence of the C/Si- and Cl/Si-ratios on thegrowth rate and doping. In Paper 2 MTS is used for the growth of 200 μm thick epilayers at a growth rate of 100μm/h, the epilayers are shown to be of very high crystalline quality and the growth process stable. The growthcharacteristics of the chloride-based CVD process, is further studied in Paper 3, where the approach to add HClgas to the standard precursors silane and ethylene is used as well as the MTS approach. A comparison betweenliterature data of growth rates for different approaches is done and it is found that a precursor molecule withdirect Si-Cl bonds should be more efficient for the growth process. Also the process stability and growth ratedependence on C/Si- and Cl/Si are further studied. In Paper 4 the standard growth process for growth on 4° offaxis substrates is improved in order to get better morphology of the epilayers. It is also shown that the optimizedprocess conditions can be transferred to a chloride-based process and a high growth rate of 28 μm/h wasachieved, using the HCl-approach, while keeping the good morphology. In Paper 5 chloride-based CVD growthon on-axis substrates is explored using both the HCl- and MTS-approaches. The incorporation of dopants in SiCepilayers grown by the chloride-based CVD process is studied in Papers 6 and 7 using the HCl-approach. InPaper 6 the incorporation of the donor atoms nitrogen and phosphorus is studied and in Paper 7 theincorporation of the acceptor atoms boron and aluminum. The incorporation of dopants is found to follow thetrends seen in the standard growth process but it is also found that the Cl/Si-ratio can affect the amount ofincorporated dopants.

Abstract [en]

Kiselkarbid (SiC) är ett fascinerande material som samtidigt är mycket enkelt och mycketkomplicerat. Det är enkelt eftersom det byggs upp av bara två sorters atomer, kisel och kol.Atomerna bygger upp kristallens struktur genom att bilda Si-C bindningar och man kan beskrivakristallstrukturen som uppbyggd av tetraedrar med en kiselatom (eller kolatom) i mitten och enkolatom (eller kiselatom) i varje hörn på tetraedern. Samtidigt är SiC komplicerat eftersomberoende på hur man staplar dessa tetraedrar kan man få olika varianter på kristallstrukturen, såkallade polytyper. Det finns drygt 200 kända polytyper av kiselkarbid, men det är dock bara enhandfull av dessa polytyper som är tekniskt intressanta. Kiselkarbid är intressant eftersom det ärett hårt material som inte heller påverkas nämnvärt av kemiskt aggressiva miljöer ellertemperaturer upp till 2000 °C; dessutom är SiC en halvledare och tack vare dess tålighet är det ettmycket bra material för elektriska komponenter för högspänningselektronik eller för användningi aggressiva miljöer.

För att kunna tillverka dessa komponenter måste man kunna odla kristaller av kiselkarbid. Detfinns i princip två typer av kristallodling; i) odling av bulkkristaller, där stora kristaller odlas föratt sedan kan skivas och poleras till kristallskivor (dessa skivor benämns oftast substrat), och ii)odling av epitaxiella skikt, där man odlar ett tunt lager kristall med mycket hög renhet ovanpå ettsubstrat (ordet epitaxi kommer från grekiskans epi = ovanpå och taxis = i ordning, epitaxiellaskikt odlas alltså ovanpå ett substrat och kopierar den kristallina ordningen hos substratet). I detepitaxiella skiktet, eller epilagret som det även kallas, kan man styra den elektriskaledningsförmågan med mycket hög precision genom att blanda in små mängder orenheter iepilagret, man pratar här om att dopa halvledarkristallen. För att odla epilager av SiC använderman CVD, CVD betyder Chemical Vapor Deposition, någon riktigt bra svensk översättningfinns inte men det är en teknik för att framställa ett tunt lager av ett material genom kemiskareaktioner med gaser som startmaterial.

I standard CVD-processen för odling av SiC epilager använder man silan (SiH4) som kiselkälla och lätta kolväten som eten (C2H4) eller propan (C3H8) som kolkälla. Dessa gaser späds kraftigtut i vätgas och man odlar epilagret vid ungefär 1500-1600 °C. Med denna process kan man odlaca 5 mikrometer (mikrometer = miljondelsmeter) epilager på en timme. Men för vissakomponenter behöver man ett epilager som är över 100 mikrometer tjockt, vilket görtillverkningen av sådana komponenter både tidsödande och kostsam. Ett problem som manmåste lösa för att få högre tillväxthastighet i processen är att när man ökar mängden silan,kommer kiseldroppar att bildas i gasfasen och om de kommer i kontakt med substratet blirepilagret förstört. I denna avhandling undersöks ett sätt att lösa problemet med kiseldropparnaoch därmed kunna tillåta höga tillväxthastigheter för SiC epilager. Idén är att man kan lösa uppkiseldropparna genom att tillsätta något i gasblandningen som binder starkare till kisel än kisel.En mycket bra atom att använda för detta ändamål är klor eftersom klor binder mycket starkt tillkisel. Man kallar denna process för klorid-baserad CVD.

Till att börja med använde vi molekylen metyltriklorsilan (MTS), som innehåller både kol, kiseloch klor, för klorid-baserad tillväxt av SiC epilager. Genom att använda MTS lyckades vi fåtillväxthastigheter mellan 2 och 104 mikrometer i timmen. Vi har även visat att det är möjligtanvända MTS för att odla 200 mikrometer tjocka epilager med en tillväxthastighet på 100mikrometer i timmen utan att den kristallina kvalitén på epilagren försämras. Ett alternativ till attanvända MTS är att addera saltsyra (HCl) i gasform till standard processen. För att förstå denklorid-baserade processen bättre, jämfördes de olika alternativen med litteraturdata från enprocess där man istället för vanlig silan hade använt triklorsilan (TCS) för att få en klorid-baserad process. Det visade sig att MTS- och TCS-processerna krävde mindre kiselhalt i gasfasen för attfå en hög tillväxthastighet, med andra ord var de mer effektiva. Vi förklarade detta med atteftersom dessa startmolekyler har tre kisel-kol bindningar är det enkelt att bilda SiCl2 molekylen,som har visat sig vara ett viktigt mellansteg i den klorid-baserade processen, eftersom man dåbara behöver bryta kemiska bindningar. Om man istället börjar från silan och saltsyra måstekemiska reaktioner ske för att skapa kisel-kol bindningar och därmed SiCl2.

När man odlar kristaller underlättar man tillväxten genom att preparera ytan på substratet medatomära steg. Om man tittar på ytan med atomär förstoring kan säga att ytan liknar en trappa,detta är bra eftersom atomerna som bygger upp epilagret gärna fastnar vid atomära steg eftersomde kan binda in till kristallen både neråt och åt sidan. Vi har optimerat standard processen för attfå bättre morfologi, alltså en finare yta, när man odlar på substrat som har mindre andel atomärasteg på ytan och visat att denna optimering går att överföra till en klorid-baserad process medhög tillväxthastighet . Vi har även visat att man kan använda den klorid-baserade processen föratt odla epilager med hög tillväxthastighet på substrat helt utan atomära steg.

Slutligen har vi studerat doping av kiselkarbid vid höga tillväxthastigheter med den kloridbaseradeprocessen, både n-typ doping (där man dopar med ämnen som har fler valenselektronerän kol och kisel så att man får ett överskott av elektroner i materialet) med kväve och fosfor, ochp-typ doping (där man dopar med ämnen som har färre valenselektroner än kol och kisel så attman får ett underskott av elektroner i materialet) med bor och aluminium.

Place, publisher, year, edition, pages
Linköping: Linköping University Electronic Press, 2008. 47 p.
Series
Linköping Studies in Science and Technology. Dissertations, ISSN 0345-7524 ; 1225
National Category
Chemical Sciences
Identifiers
urn:nbn:se:liu:diva-15428 (URN)978-91-7393-752-8 (ISBN)
Public defence
2008-12-10, Plank, Fysikhuset, Campus Valla, Linköpings universitet, Linköping, 10:15 (English)
Opponent
Supervisors
Available from: 2008-11-07 Created: 2008-11-07 Last updated: 2015-03-11Bibliographically approved
2. Advances in SiC growth using chloride-based CVD
Open this publication in new window or tab >>Advances in SiC growth using chloride-based CVD
2010 (English)Doctoral thesis, comprehensive summary (Other academic)
Abstract [en]

Silicon Carbide (SiC) is a wide band-gap semiconductor. Similar to silicon it can be used to make electronic devices which can be employed in several applications. SiC has some unique features, such as wide band-gap, high hardness, chemical inertness, and capability to withstand high temperatures. Its high breakdown electric field, high saturated drift velocity and high thermal conductivity are some of the most important characteristics to understand why SiC has superior electrical properties compared to silicon, and make it very attractive for power devices especially at high voltages and high frequency. The gain in reduced device sizes, reduced cooling requirements, and especially in improved energy efficiency for AC/DC conversion are a very important reasons to keep working in improving the material quality. Yet several issues still limit its full employment in all its potential applications, and many more steps have thus to be done for its complete success.

The core of an electric device is the epitaxial layer grown on a substrate by chemical vapor deposition (CVD). Gases containing silicon and carbon atoms, such as silane and ethylene, are often used to grow SiC, but limits in high growth rate are given by silicon cluster formation in the gas phase which is detrimental for the epitaxial layer quality. High growth rates are needed to deposit thick layers ( > 100 μm) which are required for high power devices. Chloride-based CVD, which is usually employed in the silicon epitaxial growth industry, is based on the presence of chlorinated species in the gas mixture which prevent the formation of silicon clusters, therefore resulting in very high growth rates. This chloride-based CVD process was first started to be investigated a few years ago and then only at typical growth conditions, without exploring all its full potential, such as its performance at low or high temperature growth. In addition important parameters affecting the epitaxial layer quality in terms of defect formation and electrical characteristics are the substrate orientation and its off-cut angle. Standard processes are run on substrates having an 8° off-cut angle towards a specific crystallographic direction. On lower off-cut angles, such as 4° or almost 0° (also called on-axis) which would be more economical and could resolve problems related to bipolar degradation, many typical issues should be solved or at least minimized. For 4° off-cut angle the main problem is the step-bunching resulting in high roughness of the epi surface whereas for nominally on-axis the formation of 3C inclusions is the main problem.

In this thesis we discuss and present results on the use of the chloride-based CVD process in a hot-wall reactor to further explore most of the above mentioned topics. Onaxis substrates are used to grow homopolytypic epitaxial layers; detailed experiments on the gas phase composition adopting high contents of chlorine made it possible (Paper 1). Optimization of the on-axis surface preparation prior to the growth in combination with a correct choice of chlorinated precursors and growth conditions were required to reach a growth rate of 100 μm/h of 100% 4H polytype (Paper 2). Substrates with a 4° off-cut angle could be grown free from step-bunching, one of the most common morphological issue and usually detrimental for devices. Both the standard and chlorinated-process were successfully used, but at different growth rates (Paper 3). Also for this off-cut substrate a specific surface preparation and selected growth parameters made the growth possible at rates exceeding 100 μm/h (Paper 4). The benefit of the chlorinated chemistry was tested under unusual growth conditions, such as under a concentrated gas mixture (i.e. at very low carrier gas flow) tested on different off-cut substrates (Paper 5). A great advantage of chloride-based chemistry is the feasibility of growing at very low temperatures (1300 to 1400 °C compared to the 1600 °C standard temperature). At such low temperatures 4H-SiC epitaxial layers could be grown on 8° off-axis substrates (Paper 6), while high quality heteroepitaxial 3C-SiC layers were grown on on-axis 6H-SiC substrates (Paper 7). Finally, the very high growth rates achieved by the chloride-based CVD were applied in a vertical hot-wall reactor configuration, demonstrating the ability to grow very thick SiC layers at higher rates and lower temperatures than what is typically used for bulk growth (Paper 8). This work demonstrated that a new bulk growth process could be developed based on this approach.

Abstract [sv]

Kiselkarbid (SiC) är en halvledare med ett stort bandgap och precis som den mycket vanliga halvledaren kisel kan SiC användas till elektroniska komponenter för många olika tillämpningar. SiC har unika materialegenskaper så som dess stora bandgap, dess höga hårdhet och motståndskraft både mot kemiskt aggressiva miljöer och höga temperaturer. Det som framförallt gör SiC så mycket bättre än kisel är främst den höga genombrottsfältstyrkan som gör att SiC klarar höga spänningar vilket är särskilt intressant för kraftkomponenter, för användning vid höga spänningar och höga frekvenser. Med elektroniska komponenter av SiC kan man, jämfört med samma komponenter av kisel, minska komponenternas storlek och kylbehov, men den huvudsakliga vinsten är en högre energieffektivitet vid AC/DC-omvandling. De minskade energiförlusterna är ett mycket starkt argument för att fortsätta att förbättra materialkvalitén på SiC. Det är materialrelaterade problem som idag håller tillbaka SiC-teknologin och ett antal problem måste lösas för att SiC ska få sitt stora genombrott.

Kärnan i en elektronisk komponent är det epitaxiella skikt som har växts ovanpå ett substrat. Ordet epitaxi kommer från grekiskans epi, som betyder ovanpå, och taxis, som betyder i ordning, så ett epitaxiellt skikt har alltså odlats på ett substrat och kopierat substratets kristallstruktur. Den vanligaste tekniken för att odla epitaxiella skikt i halvledarindustrin kallas på engelska chemical vapor deposition. Någon bra svensk översättning finns inte men tekniken innebär att man deponerar ett tunt skikt via kemiska reaktioner mellan gaser. Tekniken förkortas generallt för CVD från dess engelska namn. För att odla ett epitaxiellt skikt av SiC använder man gaser med kisel och kol, så som silan (SiH4) och eten (C2H4), som späds ut kraftigt i vätgas. För att öka tillväxthastigheten i processen måste man öka mängden silan och eten i gasblandningen. Ett problem är dock att vid höga koncentrationer av kisel bildas kiseldroppar som regnar ner på substratytan och förstör det epitaxiella skiktet. Detta faktum gör att man inte kan odla epitaxiella skikt av SiC snabbare än ca 5-10 μm i timmen. För många kraftkomponenter krävs epitaxiella skikt med en tjocklek på 100 μm, eller mer och för att kunna odla sådana skikt på rimlig tid används kloridbaserad CVD. Kloridbaserad CVD är idag standard i kiselindustrin och bygger på närvaron av klorföreningar i gasblandningen. Eftersom klor binder starkare till kisel än vad kisel gör, hindrar närvaron av klor bildningen av kiseldroppar och man kan öka koncentrationen av kisel i gasblandningen och därmed öka tillväxthastigheten betydligt. Kloridbaserad CVD för kiselkarbid började på allvar undersökas för snart tio år sedan och då var fokus främst på redan välkända tillväxtförhållanden, men den fulla potentialen hos kloridbaserad CVD, så som dess effekt på låg-  eller högtemperatur tillväxt har ännu inte studerats. Inte heller har grundliga undersökningar gjorts av vad det är i processen som har betydelse för det epitaxiella skiktets elektriska egenskaper eller för bildandet av olika defekter under tillväxten.

När man kapar upp en kiselkarbidkristall i tunna skivor för att kunna odla epitaxiella skikt på dem, kapar man ofta kristallen lite snett i förhållande till hur atomplanen ligger i den. Detta gör att man får en kristallyta som ser ut lite som en trappa på atomär nivå. Detta är bra eftersom atomer som ska bygga upp det epitaxiella skiktet gärna binder till ytan vid ett sådant trappsteg eftersom de där kan binda till flera atomer samtidigt. Substrat som har kapats snett på det viset kallas off-axis substrat och för 4H-polytypen av SiC kapar man vanligen substraten 8 eller 4° snett. Substrat som kapats helt parallellt med kristallplanen kallas on-axis substrat, dessa är generellt sett svåra att odla bra epitaxiella skikt på, men man får inga spillbitar när man kapar kristallen och vissa kristalldefekter i substratet tränger inte igenom till episkiktet vilket ger bättre livslängd för de elektroniska komponenterna.

För att kunna odla på on-axis substrat gjordes detaljerade undersökningar av olika gasblandningar för processen och en hög klorhalt i gasblandningen möjliggjorde en process med hög tillväxthastighet på on-axis substrat (Artikel 1). Ytterligare optimering av både gaskemin och etsning av substratytan innan tillväxt gjorde att tillväxthastigheter på 100 μm i timmen kunde användas (Artikel 2). För substrat med 4° off-axis-vinkel utvecklades en process för odling av epitaxiella skikt där vanliga kristalldefekter, som är förödande för en elektrisk komponent, eliminerades och tack vare den kloridbaserade kemin kunde skikten odlas med relativt hög hastighet (Artikel 3). Även denna process utvecklades så att tillväxthastigheten överskred 100 μm i timmen (Artikel 4). Den kloridbaserade processen testades även under mera ovanliga tillväxtförhållanden, så som under väldigt lågt vätgasflöde, alltså väldigt hög koncentration av både kisel och kol i gasblandningen (Artikel 5). Den kloridbaserade kemin möjliggjorde även tillväxt vid låga temperaturer, 1300-1400 °C i stället för 1600 °C vilket är av stort intresse för vissa applikationer. Epitaxiella skikt hög kvalité av både hexagonal 4H-SiC (Artikel 6) och kubisk 3CSiC (Artikel 7) odlades vid låga temperaturer på substrat av hexagonal SiC. Slutligen användes även den kloridbaserade kemin för att odla tjocka epitaxiella skikt vid högre temperaturer, 1700-1800 °C, med en mycket hög tillväxthastighet (Artikel 8). Detta är ett första steg mot en kloridbaserad process för att odla SiC bulkkristaller som sedan kan kapas till SiC substrat. Tack vare den kloridbaserade kemin kan betydligt lägre temperaturer än standard bulkprocesser användas som har en process temperatur på ca 2100-2400 °C.

Place, publisher, year, edition, pages
Linköping: Linköping University Electronic Press, 2010. 66 p.
Series
Linköping Studies in Science and Technology. Dissertations, ISSN 0345-7524 ; 1340
National Category
Natural Sciences
Identifiers
urn:nbn:se:liu:diva-60226 (URN)978-91-7393-303-2 (ISBN)
Public defence
2010-11-10, Plank, Fysikhuset, Campus Valla, Linköpings universitet, Linköping, 09:15
Opponent
Supervisors
Available from: 2010-10-08 Created: 2010-10-08 Last updated: 2014-10-08Bibliographically approved

Open Access in DiVA

No full text

Other links

Publisher's full textLink to Ph.D. thesis

Authority records BETA

Leone, StefanoPedersen, HenrikHenry, AnneKordina, OlleJanzén, Erik

Search in DiVA

By author/editor
Leone, StefanoPedersen, HenrikHenry, AnneKordina, OlleJanzén, Erik
By organisation
Semiconductor MaterialsThe Institute of Technology
In the same journal
Journal of Crystal Growth
Chemical Sciences

Search outside of DiVA

GoogleGoogle Scholar

doi
urn-nbn

Altmetric score

doi
urn-nbn
Total: 238 hits
CiteExportLink to record
Permanent link

Direct link
Cite
Citation style
  • apa
  • harvard1
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • oxford
  • Other style
More styles
Language
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Other locale
More languages
Output format
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf