سه تکنیک اصلی برای رشد کریستال SiC

همانطور که در شکل 3 نشان داده شده است، سه تکنیک غالب با هدف ارائه تک کریستال SiC با کیفیت و کارایی بالا وجود دارد: اپیتاکسی فاز مایع (LPE)، انتقال فیزیکی بخار (PVT)، و رسوب بخار شیمیایی در دمای بالا (HTCVD). PVT یک فرآیند به خوبی تثبیت شده برای تولید تک کریستال SiC است که به طور گسترده در تولید کنندگان بزرگ ویفر استفاده می شود.

با این حال، هر سه فرآیند به سرعت در حال تکامل و نوآوری هستند. هنوز نمی توان گفت که کدام فرآیند در آینده به طور گسترده ای اتخاذ خواهد شد. به ویژه، در سال‌های اخیر، تک بلور SiC با کیفیت بالا تولید شده توسط رشد محلول با سرعت قابل‌توجهی گزارش شده است، رشد توده SiC در فاز مایع به دمای پایین‌تری نسبت به فرآیند تصعید یا رسوب نیاز دارد و عالی بودن را در تولید فسفر نشان می‌دهد. بسترهای SiC نوع (جدول 3) [33، 34].

شکل 3: شماتیک سه روش غالب رشد تک کریستال SiC: (الف) اپیتاکسی فاز مایع. (ب) انتقال فیزیکی بخار؛ ج) رسوب بخار شیمیایی در دمای بالا

جدول 3: مقایسه LPE، PVT و HTCVD برای رشد تک بلورهای SiC [33، 34]

رشد محلول یک فناوری استاندارد برای تهیه نیمه هادی های مرکب است [36]. از دهه 1960، محققان تلاش کردند تا یک کریستال در محلول ایجاد کنند [37]. هنگامی که این فناوری توسعه یافت، فوق اشباع سطح رشد را می توان به خوبی کنترل کرد، که روش محلول را به یک فناوری امیدوارکننده برای به دست آوردن شمش های تک کریستال با کیفیت بالا تبدیل می کند.

برای رشد محلول تک کریستال SiC، منبع Si از مذاب Si بسیار خالص سرچشمه می گیرد در حالی که بوته گرافیتی اهداف دوگانه دارد: بخاری و منبع املاح C. هنگامی که نسبت C و Si نزدیک به 1 باشد، تک بلورهای SiC به احتمال زیاد تحت نسبت استوکیومتری ایده آل رشد می کنند که نشان دهنده چگالی نقص کمتر است [28]. با این حال، در فشار اتمسفر، SiC نقطه ذوب را نشان نمی دهد و مستقیماً از طریق دمای تبخیر بیش از حدود 2000 درجه سانتیگراد تجزیه می شود. ذوب SiC، طبق انتظارات نظری، تنها می‌تواند در شرایط شدید شکل بگیرد که از نمودار فاز دوتایی Si-C (شکل 4) در گرادیان دما و سیستم محلول دیده می‌شود. هر چه C در مذاب Si بیشتر باشد از 1at.% تا 13at.%. سوپراشباع C محرک، سرعت رشد سریع‌تر است، در حالی که نیروی کم C رشد، فوق اشباع C است که فشار غالب 109 Pa و دمای بالای 3200 درجه سانتی‌گراد است. می تواند فوق اشباع سطح صافی را ایجاد کند [22, 36-38]. دمای بین 1400 تا 2800 درجه سانتیگراد، حلالیت C در مذاب Si از 1 at.٪ تا 13 at.٪ متغیر است. نیروی محرکه رشد فوق اشباع C است که توسط گرادیان دما و سیستم محلول غالب است. هر چه فوق اشباع C بیشتر باشد، سرعت رشد سریعتر است، در حالی که فوق اشباع کم C سطح صافی ایجاد می کند [22، 36-38].

شکل 4: نمودار فاز باینری Si-C [40]

دوپینگ عناصر فلزی واسطه یا عناصر خاکی کمیاب نه تنها به طور موثر دمای رشد را کاهش می دهد، بلکه به نظر می رسد تنها راه برای بهبود قابل توجه حلالیت کربن در مذاب Si باشد. افزودن فلزات گروه انتقالی، مانند Ti [8، 14-16، 19، 40-52]، Cr [29، 30، 43، 50، 53-75]، Co [63، 76]، Fe [77- 80]، و غیره یا فلزات خاکی کمیاب، مانند Ce [81]، Y [82]، Sc، و غیره به مذاب Si اجازه می دهد تا حلالیت کربن در حالت نزدیک به تعادل ترمودینامیکی از 50 at.٪ تجاوز کند. علاوه بر این، تکنیک LPE برای دوپینگ نوع P از SiC مطلوب است، که می‌تواند با آلیاژ کردن Al به داخل به دست آید.
حلال [50، 53، 56، 59، 64، 71-73، 82، 83]. با این حال، ادغام Al منجر به افزایش مقاومت تک بلورهای SiC نوع P می شود [49، 56]. جدای از رشد نوع N تحت دوپینگ نیتروژن،

رشد محلول به طور کلی در یک اتمسفر گاز بی اثر ادامه می یابد. اگرچه هلیوم (He) گرانتر از آرگون است، اما به دلیل ویسکوزیته کمتر و هدایت حرارتی بالاتر (8 برابر آرگون) مورد علاقه بسیاری از محققان است [85]. نرخ مهاجرت و محتوای کروم در 4H-SiC در اتمسفر He و Ar مشابه است، ثابت شده است که رشد تحت Herets به دلیل اتلاف گرمای بیشتر نگهدارنده دانه، نرخ رشد بالاتری نسبت به رشد underAr دارد [68]. او از تشکیل حفره ها در داخل کریستال رشد یافته و هسته خود به خود در محلول جلوگیری می کند، سپس، مورفولوژی سطح صاف را می توان به دست آورد [86].

این مقاله توسعه، کاربردها و ویژگی‌های دستگاه‌های SiC و سه روش اصلی برای رشد تک کریستال SiC را معرفی می‌کند. در بخش‌های بعدی، تکنیک‌های رشد محلول فعلی و پارامترهای کلیدی مربوطه بررسی شدند. در نهایت، چشم‌اندازی پیشنهاد شد که چالش‌ها و کارهای آینده در مورد رشد عمده تک بلورهای SiC از طریق روش محلول مورد بحث قرار می‌گیرد.