Som vist i fig. 3 er der tre dominerende teknikker, der sigter mod at give SiC-enkeltkrystal med høj kvalitet og effektivitet: væskefaseepitaksi (LPE), fysisk damptransport (PVT) og højtemperatur kemisk dampaflejring (HTCVD). PVT er en veletableret proces til fremstilling af SiC-enkeltkrystal, som er meget udbredt i store waferproducenter.
Men alle de tre processer udvikler sig hurtigt og er innovative. Det er endnu ikke muligt at afgøre, hvilken proces der vil blive bredt vedtaget i fremtiden. Især SiC-enkeltkrystal af høj kvalitet fremstillet af opløsningsvækst med en betydelig hastighed er blevet rapporteret i de seneste år, SiC-massevækst i væskefasen kræver en lavere temperatur end sublimerings- eller aflejringsprocessen, og det viser fremragende fremstilling af P -type SiC-substrater (tabel 3) [33, 34].
Fig. 3: Skematisk af tre dominerende SiC-enkeltkrystalvækstteknikker: (a) væskefase-epitaksi; (b) fysisk damptransport; (c) højtemperatur kemisk dampaflejring
Tabel 3: Sammenligning af LPE, PVT og HTCVD til voksende SiC-enkeltkrystaller [33, 34]
Opløsningsvækst er en standardteknologi til fremstilling af sammensatte halvledere [36]. Siden 1960'erne har forskere forsøgt at udvikle en krystal i opløsning [37]. Når først teknologien er udviklet, kan overmætningen af vækstoverfladen kontrolleres godt, hvilket gør løsningsmetoden til en lovende teknologi til at opnå højkvalitets enkeltkrystalbarrer.
Til opløsningsvækst af SiC-enkeltkrystal stammer Si-kilden fra meget ren Si-smelte, mens grafitdigelen tjener to formål: varmelegeme og C-opløst stofkilde. SiC-enkeltkrystaller er mere tilbøjelige til at vokse under det ideelle støkiometriske forhold, når forholdet mellem C og Si er tæt på 1, hvilket indikerer en lavere defektdensitet [28]. Men ved atmosfærisk tryk viser SiC intet smeltepunkt og nedbrydes direkte via fordampning ved temperaturer, der overstiger omkring 2.000 °C. SiC smelter, ifølge teoretiske forventninger, kan kun dannes under alvorlige ses fra Si-C binære fasediagram (fig. 4), der ved temperaturgradient og opløsningssystem. Jo højere C i Si-smelten varierer fra 1at.% til 13at.%. Den drivende C-overmætning, jo hurtigere er væksthastigheden, mens lav C-kraft af væksten er C-overmætningen, der er domineret tryk på 109 Pa og temperaturer over 3.200 °C. Det kan overmætning giver en glat overflade [22, 36-38]. temperaturer mellem 1.400 og 2.800 °C, opløseligheden af C i Si-smelten varierer fra 1at.% til 13at.%. Drivkraften for væksten er C-overmætningen, der er domineret af temperaturgradient og opløsningssystem. Jo højere C-overmætning, jo hurtigere væksthastighed, mens lav C-overmætning giver en glat overflade [22, 36-38].
Fig. 4: Si-C binært fasediagram [40]
Doping af overgangsmetalelementer eller sjældne jordarters elementer sænker ikke kun effektivt væksttemperaturen, men synes at være den eneste måde at drastisk forbedre kulstofopløseligheden i Si-smelte. Tilsætning af overgangsgruppemetaller, såsom Ti [8, 14-16, 19, 40-52], Cr [29, 30, 43, 50, 53-75], Co [63, 76], Fe [77- 80], osv. eller sjældne jordarters metaller, såsom Ce [81], Y [82], Sc osv. til Si-smelten tillader kulstofopløseligheden at overstige 50at.% i en tilstand tæt på termodynamisk ligevægt. Desuden er LPE-teknik gunstig til P-type doping af SiC, hvilket kan opnås ved at legere Al i
opløsningsmiddel [50, 53, 56, 59, 64, 71-73, 82, 83]. Imidlertid fører inkorporeringen af Al til en stigning i resistiviteten af P-type SiC-enkeltkrystaller [49, 56]. Bortset fra N-type vækst under nitrogen-doping,
opløsningsvækst forløber generelt i en atmosfære af inert gas. Selvom helium (He) er dyrere end argon, foretrækkes det af mange forskere på grund af dets lavere viskositet og højere termiske ledningsevne (8 gange argon) [85]. Migrationshastigheden og Cr-indholdet i 4H-SiC er ens under He- og Ar-atmosfære, det er bevist, at vækst under Here resulterer i en højere væksthastighed end vækst underAr på grund af frøholderens større varmeafledning [68]. Han forhindrer hulrumsdannelsen inde i den voksede krystal og spontan kernedannelse i opløsningen, så en glat overflademorfologi kan opnås [86].
Dette papir introducerede udviklingen, anvendelserne og egenskaberne af SiC-enheder og de tre vigtigste metoder til dyrkning af SiC-enkeltkrystal. I de følgende afsnit blev de nuværende løsningsvækstteknikker og tilsvarende nøgleparametre gennemgået. Endelig blev der foreslået et perspektiv, der diskuterede udfordringerne og fremtidige værker vedrørende bulkvæksten af SiC-enkeltkrystaller via løsningsmetode.
Indlægstid: Jul-01-2024