Όπως φαίνεται στο Σχ. 3, υπάρχουν τρεις κυρίαρχες τεχνικές που στοχεύουν στην παροχή μονοκρύσταλλου SiC με υψηλή ποιότητα και αποτελεσματικότητα: επιταξία υγρής φάσης (LPE), φυσική μεταφορά ατμού (PVT) και εναπόθεση χημικών ατμών σε υψηλή θερμοκρασία (HTCVD). Το PVT είναι μια καθιερωμένη διαδικασία για την παραγωγή μονοκρυστάλλου SiC, ο οποίος χρησιμοποιείται ευρέως σε μεγάλους κατασκευαστές γκοφρετών.
Ωστόσο, και οι τρεις διαδικασίες εξελίσσονται γρήγορα και καινοτομούν. Δεν είναι ακόμη δυνατό να αποφευχθεί ποια διαδικασία θα υιοθετηθεί ευρέως στο μέλλον. Συγκεκριμένα, τα τελευταία χρόνια έχει αναφερθεί υψηλής ποιότητας μονοκρύσταλλος SiC που παράγεται από την ανάπτυξη διαλύματος με σημαντικό ρυθμό, η μαζική ανάπτυξη του SiC στην υγρή φάση απαιτεί χαμηλότερη θερμοκρασία από αυτή της διαδικασίας εξάχνωσης ή εναπόθεσης και καταδεικνύει την αριστεία στην παραγωγή P -υποστρώματα τύπου SiC (Πίνακας 3) [33, 34].
Εικ. 3: Σχηματική απεικόνιση τριών κυρίαρχων τεχνικών ανάπτυξης μονοκρυστάλλου SiC: (α) επιταξία υγρής φάσης. β) φυσική μεταφορά ατμών. γ) χημική εναπόθεση ατμών σε υψηλή θερμοκρασία
Πίνακας 3: Σύγκριση LPE, PVT και HTCVD για την ανάπτυξη μονοκρυστάλλων SiC [33, 34]
Η ανάπτυξη διαλύματος είναι μια τυπική τεχνολογία για την παρασκευή σύνθετων ημιαγωγών [36]. Από τη δεκαετία του 1960, οι ερευνητές προσπάθησαν να αναπτύξουν έναν κρύσταλλο σε διάλυμα [37]. Μόλις αναπτυχθεί η τεχνολογία, ο υπερκορεσμός της επιφάνειας ανάπτυξης μπορεί να ελεγχθεί καλά, γεγονός που καθιστά τη μέθοδο λύσης μια πολλά υποσχόμενη τεχνολογία για την απόκτηση υψηλής ποιότητας μονοκρυσταλλικών πλινθωμάτων.
Για την ανάπτυξη διαλύματος μονοκρυστάλλου SiC, η πηγή Si προέρχεται από πολύ καθαρό τήγμα Si, ενώ το χωνευτήριο γραφίτη εξυπηρετεί διπλούς σκοπούς: θερμαντήρα και πηγή διαλυμένης ουσίας C. Οι απλοί κρύσταλλοι SiC είναι πιο πιθανό να αναπτυχθούν κάτω από την ιδανική στοιχειομετρική αναλογία όταν η αναλογία C και Si είναι κοντά στο 1, υποδηλώνοντας χαμηλότερη πυκνότητα ελαττώματος [28]. Ωστόσο, σε ατμοσφαιρική πίεση, το SiC δεν εμφανίζει σημείο τήξης και αποσυντίθεται απευθείας μέσω θερμοκρασιών εξάτμισης που υπερβαίνουν τους 2.000 °C περίπου. Τα τήγματα SiC, σύμφωνα με τις θεωρητικές προσδοκίες, μπορούν να σχηματιστούν μόνο σε σοβαρές συνθήκες, όπως φαίνεται από το διάγραμμα δυαδικής φάσης Si-C (Εικ. 4) σε βαθμίδα θερμοκρασίας και σύστημα διαλύματος. Όσο υψηλότερο είναι το C στο τήγμα Si ποικίλλει από 1at.% έως 13at.%. Ο κινητήριος υπερκορεσμός C, τόσο πιο γρήγορος είναι ο ρυθμός ανάπτυξης, ενώ χαμηλή δύναμη C της ανάπτυξης είναι ο υπερκορεσμός C που κυριαρχεί η πίεση των 109 Pa και οι θερμοκρασίες πάνω από 3.200 °C. Μπορεί ο υπερκορεσμός παράγει μια λεία επιφάνεια [22, 36-38]. θερμοκρασίες μεταξύ 1.400 και 2.800 °C, η διαλυτότητα του C στο τήγμα Si ποικίλλει από 1at.% έως 13at.%. Η κινητήρια δύναμη της ανάπτυξης είναι ο υπερκορεσμός C που κυριαρχείται από τη βαθμίδα θερμοκρασίας και το σύστημα διαλύματος. Όσο υψηλότερος είναι ο υπερκορεσμός C, τόσο πιο γρήγορος είναι ο ρυθμός ανάπτυξης, ενώ ο χαμηλός υπερκορεσμός C παράγει μια λεία επιφάνεια [22, 36-38].
Εικ. 4: Διάγραμμα δυαδικής φάσης Si-C [40]
Στοιχεία μετάπτωσης ντόπινγκ ή στοιχεία σπανίων γαιών όχι μόνο μειώνουν αποτελεσματικά τη θερμοκρασία ανάπτυξης, αλλά φαίνεται να είναι ο μόνος τρόπος για να βελτιωθεί δραστικά η διαλυτότητα του άνθρακα στο τήγμα Si. Η προσθήκη μετάλλων της μεταβατικής ομάδας, όπως Ti [8, 14-16, 19, 40-52], Cr [29, 30, 43, 50, 53-75], Co [63, 76], Fe [77- 80], κ.λπ. ή μέταλλα σπανίων γαιών, όπως Ce [81], Y [82], Sc, κ.λπ. στο τήγμα Si επιτρέπει τον άνθρακα διαλυτότητα να υπερβαίνει το 50at.% σε κατάσταση κοντά στη θερμοδυναμική ισορροπία. Επιπλέον, η τεχνική LPE είναι ευνοϊκή για ντόπινγκ τύπου P του SiC, το οποίο μπορεί να επιτευχθεί με κράμα Al στο
διαλύτης [50, 53, 56, 59, 64, 71-73, 82, 83]. Ωστόσο, η ενσωμάτωση του Al οδηγεί σε αύξηση της ειδικής αντίστασης μονοκρυστάλλων SiC τύπου P [49, 56]. Εκτός από την ανάπτυξη τύπου Ν υπό ντόπινγκ αζώτου,
Η ανάπτυξη διαλύματος γενικά προχωρά σε ατμόσφαιρα αδρανούς αερίου. Αν και το ήλιο (He) είναι πιο ακριβό από το αργό, προτιμάται από πολλούς μελετητές λόγω του χαμηλότερου ιξώδους του και της υψηλότερης θερμικής αγωγιμότητας (8 φορές του αργού) [85]. Ο ρυθμός μετανάστευσης και η περιεκτικότητα σε Cr στο 4H-SiC είναι παρόμοια σε ατμόσφαιρα He και Ar, αποδεικνύεται ότι η ανάπτυξη υπό Heres οδηγεί σε υψηλότερο ρυθμό ανάπτυξης από την ανάπτυξη underAr λόγω της μεγαλύτερης απαγωγής θερμότητας του συγκρατητή σπόρου [68]. Εμποδίζει τον σχηματισμό κενών μέσα στον αναπτυσσόμενο κρύσταλλο και την αυθόρμητη δημιουργία πυρήνων στο διάλυμα και, στη συνέχεια, μπορεί να ληφθεί μια μορφολογία λείας επιφάνειας [86].
Αυτή η εργασία εισήγαγε την ανάπτυξη, τις εφαρμογές και τις ιδιότητες των συσκευών SiC και τις τρεις κύριες μεθόδους για την ανάπτυξη μονοκρυστάλλου SiC. Στις επόμενες ενότητες, εξετάστηκαν οι τρέχουσες τεχνικές ανάπτυξης λύσεων και οι αντίστοιχες βασικές παράμετροι. Τέλος, προτάθηκε μια προοπτική που συζητούσε τις προκλήσεις και τις μελλοντικές εργασίες σχετικά με τη μαζική ανάπτυξη μονοκρυστάλλων SiC μέσω της μεθόδου διαλύματος.
Ώρα δημοσίευσης: Ιούλ-01-2024