Wie in Abb. 3 dargestellt, gibt es drei dominierende Verfahren zur Herstellung hochwertiger und effizienter SiC-Einkristalle: Flüssigphasenepitaxie (LPE), physikalischer Dampftransport (PVT) und Hochtemperatur-CVD (HTCVD). PVT ist ein etabliertes Verfahren zur Herstellung von SiC-Einkristallen und wird von führenden Waferherstellern häufig eingesetzt.
Alle drei Verfahren entwickeln sich jedoch rasant weiter und werden ständig verbessert. Es lässt sich noch nicht vorhersagen, welches Verfahren sich zukünftig durchsetzen wird. Insbesondere wurde in den letzten Jahren über die Herstellung hochwertiger SiC-Einkristalle mittels Lösungszüchtung in beachtlicher Menge berichtet. Die SiC-Volumenzüchtung in der flüssigen Phase erfordert eine niedrigere Temperatur als die Sublimations- oder Abscheidungsprozesse und eignet sich hervorragend zur Herstellung von p-leitenden SiC-Substraten (Tabelle 3) [33, 34].
Abb. 3: Schematische Darstellung der drei wichtigsten Verfahren zur Züchtung von SiC-Einkristallen: (a) Flüssigphasenepitaxie; (b) physikalischer Dampftransport; (c) Hochtemperatur-CVD (Chemical Vapor Deposition).
Tabelle 3: Vergleich von LPE, PVT und HTCVD für das Wachstum von SiC-Einkristallen [33, 34]
Das Lösungszüchtungsverfahren ist eine Standardtechnologie zur Herstellung von Verbindungshalbleitern [36]. Seit den 1960er Jahren haben Forscher versucht, Kristalle in Lösung zu züchten [37]. Sobald diese Technologie entwickelt ist, lässt sich die Übersättigung der Wachstumsoberfläche gut kontrollieren, was das Lösungszüchtungsverfahren zu einer vielversprechenden Technologie für die Gewinnung hochwertiger Einkristallblöcke macht.
Für das Lösungsphasenwachstum von SiC-Einkristallen stammt die Si-Quelle aus hochreiner Si-Schmelze, während der Graphittiegel zwei Funktionen erfüllt: Er dient als Heizelement und als Quelle für gelösten Kohlenstoff (C). SiC-Einkristalle wachsen mit höherer Wahrscheinlichkeit im idealen stöchiometrischen Verhältnis, wenn das Verhältnis von C zu Si nahe bei 1 liegt, was auf eine geringere Defektdichte hindeutet [28]. Bei Atmosphärendruck besitzt SiC jedoch keinen Schmelzpunkt und zersetzt sich direkt durch Verdampfung bei Temperaturen über etwa 2000 °C. SiC-Schmelzen können sich, wie aus dem binären Phasendiagramm Si-C (Abb. 4) ersichtlich, nur unter einem starken Temperaturgradienten und in einem Lösungsphasensystem bilden. Je höher der C-Gehalt in der Si-Schmelze ist, desto schneller ist die Wachstumsrate, während die C-Übersättigung bei niedrigem Druck von 10⁹ Pa und Temperaturen über 3200 °C dominiert. Bei Temperaturen zwischen 1400 und 2800 °C variiert die Löslichkeit von Kohlenstoff (C) in der Siliziumschmelze von 1 Atom-% bis 13 Atom-%. Die treibende Kraft des Wachstums ist die C-Übersättigung, die maßgeblich vom Temperaturgradienten und dem Lösungssystem abhängt. Je höher die C-Übersättigung, desto schneller das Wachstum, während eine geringe C-Übersättigung eine glatte Oberfläche erzeugt [22, 36–38].
Abb. 4: Binäres Phasendiagramm Si-C [40]
Die Dotierung mit Übergangsmetallen oder Seltenerdelementen senkt nicht nur effektiv die Wachstumstemperatur, sondern scheint auch die einzige Möglichkeit zu sein, die Kohlenstofflöslichkeit in der Siliziumschmelze drastisch zu verbessern. Die Zugabe von Übergangsmetallen wie Ti [8, 14–16, 19, 40–52], Cr [29, 30, 43, 50, 53–75], Co [63, 76], Fe [77–80] usw. oder von Seltenerdmetallen wie Ce [81], Y [82], Sc usw. zur Siliziumschmelze ermöglicht eine Kohlenstofflöslichkeit von über 50 Atomprozent in einem Zustand nahe dem thermodynamischen Gleichgewicht. Darüber hinaus eignet sich das LPE-Verfahren besonders für die P-Dotierung von SiC, die durch Legieren mit Al erreicht werden kann.
Lösungsmittel [50, 53, 56, 59, 64, 71–73, 82, 83]. Die Einlagerung von Al führt jedoch zu einer Erhöhung des spezifischen Widerstands von P-SiC-Einkristallen [49, 56]. Abgesehen vom N-Typ-Wachstum unter Stickstoffdotierung,
Das Kristallwachstum aus der Lösung erfolgt im Allgemeinen unter einer Inertgasatmosphäre. Obwohl Helium (He) teurer als Argon ist, wird es aufgrund seiner geringeren Viskosität und höheren Wärmeleitfähigkeit (achtmal höher als die von Argon) von vielen Wissenschaftlern bevorzugt [85]. Die Migrationsrate und der Cr-Gehalt in 4H-SiC sind unter He- und Ar-Atmosphäre vergleichbar. Es ist jedoch erwiesen, dass das Wachstum unter He aufgrund der höheren Wärmeabfuhr des Keimträgers zu einer höheren Wachstumsrate führt als unter Ar [68]. Helium hemmt die Bildung von Hohlräumen im gewachsenen Kristall und die spontane Keimbildung in der Lösung, wodurch eine glatte Oberflächenmorphologie erzielt werden kann [86].
Diese Arbeit beschreibt die Entwicklung, Anwendungen und Eigenschaften von SiC-Bauelementen sowie die drei wichtigsten Methoden zur Züchtung von SiC-Einkristallen. In den folgenden Abschnitten werden die gängigen Lösungszüchtungsverfahren und die zugehörigen Schlüsselparameter erläutert. Abschließend wird ein Ausblick gegeben, der die Herausforderungen und zukünftigen Forschungsarbeiten zur Massenzüchtung von SiC-Einkristallen mittels Lösungszüchtung diskutiert.
Veröffentlichungsdatum: 01.07.2024