كما هو مبين في الشكل 3، هناك ثلاث تقنيات سائدة تهدف إلى توفير بلورة مفردة من SiC بجودة وكفاءة عالية: تنضيد الطور السائل (LPE)، ونقل البخار الفيزيائي (PVT)، وترسيب البخار الكيميائي عالي الحرارة (HTCVD). PVT هي عملية راسخة لإنتاج بلورة SiC المفردة، والتي تستخدم على نطاق واسع في كبرى الشركات المصنعة للرقاقات.
ومع ذلك، فإن جميع العمليات الثلاث تتطور وتبتكر بسرعة. وليس من الممكن حتى الآن تحديد العملية التي سيتم اعتمادها على نطاق واسع في المستقبل. على وجه الخصوص، تم الإبلاغ عن بلورة SiC المفردة عالية الجودة التي يتم إنتاجها عن طريق نمو المحلول بمعدل كبير في السنوات الأخيرة، ويتطلب نمو الجزء الأكبر من SiC في الطور السائل درجة حرارة أقل من درجة حرارة عملية التسامي أو الترسيب، ويظهر التميز في إنتاج P ركائز من نوع SiC (الجدول 3) [33، 34].
الشكل 3: رسم تخطيطي لثلاث تقنيات نمو بلورة مفردة سائدة من SiC: (أ) تنضيد الطور السائل؛ (ب) نقل البخار المادي؛ (ج) ترسيب البخار الكيميائي عند درجة حرارة عالية
الجدول 3: مقارنة بين LPE وPVT وHTCVD لتنمية بلورات SiC المفردة [33، 34]
يعد نمو المحلول تقنية قياسية لإعداد أشباه الموصلات المركبة [36]. منذ الستينيات، حاول الباحثون تطوير بلورة في محلول [37]. بمجرد تطوير التكنولوجيا، يمكن التحكم بشكل جيد في التشبع الفائق لسطح النمو، مما يجعل طريقة الحل تقنية واعدة للحصول على سبائك بلورية مفردة عالية الجودة.
من أجل نمو محلول بلورة SiC المفردة، ينبع مصدر Si من ذوبان Si عالي النقاء بينما تخدم بوتقة الجرافيت أغراضًا مزدوجة: السخان ومصدر المذاب C. من المرجح أن تنمو بلورات SiC المفردة تحت نسبة العناصر المتكافئة المثالية عندما تكون نسبة C وSi قريبة من 1، مما يشير إلى انخفاض كثافة الخلل [28]. ومع ذلك، عند الضغط الجوي، لا يُظهر SiC أي نقطة انصهار ويتحلل مباشرة عبر درجات حرارة التبخر التي تتجاوز حوالي 2000 درجة مئوية. لا يمكن تشكيل ذوبان SiC، وفقًا للتوقعات النظرية، إلا في ظل شدة يمكن رؤيتها من مخطط الطور الثنائي Si-C (الشكل 4) عند التدرج في درجة الحرارة ونظام المحلول. يتراوح ارتفاع C في ذوبان Si من 1at.% إلى 13at.%. يؤدي التشبع الفائق C إلى زيادة معدل النمو، في حين أن قوة C المنخفضة للنمو هي التشبع الفائق C الذي يهيمن عليه ضغط يبلغ 109 باسكال ودرجات حرارة أعلى من 3200 درجة مئوية. يمكن أن ينتج عن التشبع الفائق سطح أملس [22، 36-38]. درجات حرارة تتراوح بين 1400 و2800 درجة مئوية، وتتراوح قابلية ذوبان C في ذوبان Si من 1at.% إلى 13at.%. القوة الدافعة للنمو هي التشبع الفائق C الذي يهيمن عليه التدرج في درجة الحرارة ونظام المحلول. كلما زاد التشبع الفائق لـ C، كان معدل النمو أسرع، في حين أن التشبع المنخفض لـ C ينتج سطحًا أملسًا [22، 36-38].
الشكل 4: مخطط الطور الثنائي Si-C [40]
إن تعاطي العناصر المعدنية الانتقالية أو العناصر الأرضية النادرة لا يؤدي إلى خفض درجة حرارة النمو بشكل فعال فحسب، بل يبدو أنه الطريقة الوحيدة لتحسين قابلية ذوبان الكربون بشكل كبير في ذوبان Si. إضافة معادن المجموعة الانتقالية، مثل Ti [8، 14-16، 19، 40-52]، Cr [29، 30، 43، 50، 53-75]، Co [63، 76]، Fe [77- 80]، وما إلى ذلك أو المعادن الأرضية النادرة، مثل Ce [81]، Y [82]، Sc، وما إلى ذلك إلى ذوبان Si يسمح بتجاوز ذوبان الكربون 50% في حالة قريبة من التوازن الديناميكي الحراري. علاوة على ذلك، فإن تقنية LPE مناسبة لتعاطي المنشطات من النوع P لـ SiC، والتي يمكن تحقيقها عن طريق صناعة السبائك Al في
مذيب [50، 53، 56، 59، 64، 71-73، 82، 83]. ومع ذلك، فإن دمج Al يؤدي إلى زيادة في مقاومة البلورات المفردة من النوع P SiC [49، 56]. وبصرف النظر عن نمو النوع N تحت تعاطي المنشطات بالنيتروجين،
يستمر نمو المحلول عمومًا في جو غاز خامل. على الرغم من أن الهيليوم (He) أغلى من الأرجون، إلا أنه يفضله العديد من العلماء بسبب لزوجته المنخفضة وموصليته الحرارية الأعلى (8 مرات من الأرجون) [85]. يتشابه معدل الهجرة ومحتوى الكروم في 4H-SiC تحت جو He وAr، وقد ثبت أن النمو تحت Hered يؤدي إلى معدل نمو أعلى من النمو تحت Ar بسبب تبديد الحرارة الأكبر لحامل البذور [68]. فهو يعيق تكوين الفراغات داخل البلورة المزروعة والنواة التلقائية في المحلول، ومن ثم يمكن الحصول على شكل سطح أملس [86].
قدمت هذه الورقة تطوير وتطبيقات وخصائص أجهزة SiC، والطرق الثلاثة الرئيسية لتنمية بلورة SiC الفردية. في الأقسام التالية، تمت مراجعة تقنيات نمو الحلول الحالية والمعلمات الرئيسية المقابلة. أخيرًا، تم اقتراح نظرة مستقبلية تناقش التحديات والأعمال المستقبلية المتعلقة بالنمو الكبير لبلورات SiC المفردة عبر طريقة الحل.
وقت النشر: 01 يوليو 2024