Wie in Abb. 3 dargestellt, gibt es drei vorherrschende Techniken, die darauf abzielen, SiC-Einkristalle mit hoher Qualität und Effizienz bereitzustellen: Flüssigphasenepitaxie (LPE), physikalischer Dampftransport (PVT) und chemische Hochtemperatur-Gasphasenabscheidung (HTCVD). PVT ist ein etabliertes Verfahren zur Herstellung von SiC-Einkristallen, das bei großen Waferherstellern weit verbreitet ist.
Alle drei Prozesse entwickeln sich jedoch schnell weiter und sind innovativ. Es lässt sich noch nicht abschätzen, welches Verfahren sich in Zukunft durchsetzen wird. In den letzten Jahren wurde insbesondere über qualitativ hochwertige SiC-Einkristalle berichtet, die durch Lösungswachstum mit beträchtlicher Geschwindigkeit hergestellt wurden. Das SiC-Massenwachstum in der flüssigen Phase erfordert eine niedrigere Temperatur als die des Sublimations- oder Abscheidungsprozesses und zeigt hervorragende Ergebnisse bei der Herstellung von P -SiC-Substrate (Tabelle 3) [33, 34].
Abb. 3: Schematische Darstellung der drei vorherrschenden SiC-Einkristall-Wachstumstechniken: (a) Flüssigphasenepitaxie; (b) physikalischer Dampftransport; (c) chemische Hochtemperatur-Gasphasenabscheidung
Tabelle 3: Vergleich von LPE, PVT und HTCVD für die Züchtung von SiC-Einkristallen [33, 34]
Lösungswachstum ist eine Standardtechnologie zur Herstellung von Verbindungshalbleitern [36]. Seit den 1960er Jahren versuchen Forscher, einen Kristall in Lösung zu entwickeln [37]. Sobald die Technologie entwickelt ist, kann die Übersättigung der Wachstumsoberfläche gut kontrolliert werden, was die Lösungsmethode zu einer vielversprechenden Technologie zur Gewinnung hochwertiger Einkristallbarren macht.
Für das Lösungswachstum von SiC-Einkristallen stammt die Si-Quelle aus hochreiner Si-Schmelze, während der Graphittiegel zwei Zwecken dient: Heizer und C-Quelle für gelösten Stoff. SiC-Einkristalle wachsen eher im idealen stöchiometrischen Verhältnis, wenn das Verhältnis von C und Si nahe bei 1 liegt, was auf eine geringere Defektdichte hinweist [28]. Bei Atmosphärendruck zeigt SiC jedoch keinen Schmelzpunkt und zersetzt sich direkt durch Verdampfung bei Temperaturen über etwa 2.000 °C. SiC-Schmelzen können, den theoretischen Erwartungen zufolge, nur unter strengen Bedingungen entstehen, wie aus dem Si-C-Binärphasendiagramm (Abb. 4) bei Temperaturgradient und Lösungssystem hervorgeht. Je höher der C-Gehalt in der Si-Schmelze ist, desto höher ist der Wert zwischen 1 und 13 Atom-%. Je höher die treibende C-Übersättigung, desto schneller ist die Wachstumsrate, während die niedrige C-Kraft des Wachstums die C-Übersättigung ist, die von einem Druck von 109 Pa und Temperaturen über 3.200 °C dominiert wird. Durch Übersättigung kann eine glatte Oberfläche entstehen [22, 36-38]. Bei Temperaturen zwischen 1.400 und 2.800 °C variiert die Löslichkeit von C in der Si-Schmelze zwischen 1 Atom-% und 13 Atom-%. Die treibende Kraft des Wachstums ist die C-Übersättigung, die vom Temperaturgradienten und dem Lösungssystem dominiert wird. Je höher die C-Übersättigung, desto schneller die Wachstumsrate, während eine niedrige C-Übersättigung eine glatte Oberfläche erzeugt [22, 36–38].
Abb. 4: Si-C-Binärphasendiagramm [40]
Die Dotierung mit Übergangsmetallelementen oder Seltenerdelementen senkt nicht nur effektiv die Wachstumstemperatur, sondern scheint auch die einzige Möglichkeit zu sein, die Kohlenstofflöslichkeit in der Si-Schmelze drastisch zu verbessern. Der Zusatz von Übergangsgruppenmetallen wie Ti [8, 14-16, 19, 40-52], Cr [29, 30, 43, 50, 53-75], Co [63, 76], Fe [77- 80] usw. oder Seltenerdmetalle wie Ce [81], Y [82], Sc usw. zu der Si-Schmelze führt dazu, dass die Kohlenstofflöslichkeit überschritten wird 50at.% in einem Zustand nahe dem thermodynamischen Gleichgewicht. Darüber hinaus ist die LPE-Technik günstig für die P-Dotierung von SiC, die durch Einlegieren von Al erreicht werden kann
Lösungsmittel [50, 53, 56, 59, 64, 71-73, 82, 83]. Allerdings führt der Einbau von Al zu einer Erhöhung des spezifischen Widerstands von P-Typ-SiC-Einkristallen [49, 56]. Abgesehen vom N-Typ-Wachstum unter Stickstoffdotierung,
Das Lösungswachstum erfolgt im Allgemeinen in einer Inertgasatmosphäre. Obwohl Helium (He) teurer als Argon ist, wird es von vielen Wissenschaftlern aufgrund seiner geringeren Viskosität und höheren Wärmeleitfähigkeit (8-mal so viel wie Argon) bevorzugt [85]. Die Migrationsrate und der Cr-Gehalt in 4H-SiC sind unter He- und Ar-Atmosphäre ähnlich. Es ist erwiesen, dass das Wachstum unter Here aufgrund der größeren Wärmeableitung des Keimhalters zu einer höheren Wachstumsrate führt als das Wachstum unter Ar [68]. Er verhindert die Bildung von Hohlräumen im gewachsenen Kristall und die spontane Keimbildung in der Lösung, wodurch eine glatte Oberflächenmorphologie erhalten werden kann [86].
In diesem Artikel wurden die Entwicklung, Anwendungen und Eigenschaften von SiC-Geräten sowie die drei Hauptmethoden zur Züchtung von SiC-Einkristallen vorgestellt. In den folgenden Abschnitten wurden die aktuellen Lösungswachstumstechniken und die entsprechenden Schlüsselparameter besprochen. Abschließend wurde ein Ausblick vorgeschlagen, der die Herausforderungen und zukünftigen Arbeiten im Hinblick auf das Massenwachstum von SiC-Einkristallen mittels Lösungsverfahren erörtert.
Zeitpunkt der Veröffentlichung: 01.07.2024