Kuten kuvasta 3 näkyy, on olemassa kolme hallitsevaa tekniikkaa, joilla pyritään tarjoamaan korkealaatuista ja tehokasta piikarbidin yksikiteistä: nestefaasiepitaksi (LPE), fyysinen höyrynsiirto (PVT) ja korkean lämpötilan kemiallinen höyrypinnoitus (HTCVD). PVT on vakiintunut prosessi piikarbidin yksikiteiden valmistukseen, jota käytetään laajalti suurimmissa kiekkojen valmistajissa.
Kaikki kolme prosessia ovat kuitenkin nopeasti kehittyviä ja innovatiivisia. Vielä ei ole mahdollista arvioida, mikä prosessi otetaan laajalti käyttöön tulevaisuudessa. Erityisesti korkealaatuista piikarbidin yksikiteistä, joka on tuotettu liuoskasvatuksen avulla huomattavalla nopeudella, on raportoitu viime vuosina, piikarbidin bulkkikasvu nestefaasissa vaatii alemman lämpötilan kuin sublimaatio- tai kerrostusprosessi, ja se osoittaa erinomaisuutta P:n tuottamisessa. -tyypin SiC-substraatit (taulukko 3) [33, 34].
Kuva 3: Kaavio kolmesta vallitsevasta SiC-yksikidekasvatustekniikasta: (a) nestefaasiepitaksi; b) fyysinen höyrynkuljetus; c) korkean lämpötilan kemiallinen höyrypinnoitus
Taulukko 3: LPE:n, PVT:n ja HTCVD:n vertailu piikarbidin yksittäiskiteiden kasvattamiseen [33, 34]
Liuoskasvu on standardi teknologia yhdistepuolijohteiden valmistukseen [36]. 1960-luvulta lähtien tutkijat ovat yrittäneet kehittää kiteitä liuoksessa [37]. Kun tekniikka on kehitetty, kasvupinnan ylikyllästyminen on hyvin hallittavissa, mikä tekee ratkaisumenetelmästä lupaavan tekniikan korkealaatuisten yksikideharkkojen saamiseksi.
SiC-yksikiteiden liuoskasvatusta varten Si-lähde on peräisin erittäin puhtaasta Si-sulasta, kun taas grafiittiupokkaalla on kaksi tarkoitusta: lämmitin ja C-liuenneen aineen lähde. SiC-yksittäiskiteet kasvavat todennäköisemmin ihanteellisen stoikiometrisen suhteen alaisina, kun C:n ja Si:n suhde on lähellä yhtä, mikä viittaa pienempään virhetiheyteen [28]. Ilmakehän paineessa piikarbidilla ei kuitenkaan ole sulamispistettä ja se hajoaa suoraan noin 2 000 °C:n ylittävien höyrystymislämpötilojen kautta. Piikarbidin sulat, teoreettisten odotusten mukaan, voivat muodostua vain vakavissa, kuten Si-C-binäärifaasikaaviosta (kuva 4) nähdään, että lämpötilagradientin ja liuosjärjestelmän avulla. Mitä korkeampi C Si-sulassa vaihtelee välillä 1 at.% - 13 at.%. C-ylikyllästystä ohjaava kasvunopeus on sitä nopeampi, kun taas kasvun alhainen C-voima on C-ylikyllästys, jota hallitsee 109 Pa:n paine ja yli 3200 °C lämpötilat. Se voi ylikyllästys tuottaa sileän pinnan [22, 36-38]. lämpötilat välillä 1400 ja 2800 °C, C:n liukoisuus Si-sulassa vaihtelee 1 at.% - 13 at.%. Kasvun liikkeellepaneva voima on C-ylikylläisyys, jota hallitsevat lämpötilagradientti ja liuosjärjestelmä. Mitä korkeampi C-ylikylläisyys, sitä nopeampi kasvunopeus, kun taas alhainen C-ylikylläisyys tuottaa sileän pinnan [22, 36-38].
Kuva 4: Si-C-binäärivaihekaavio [40]
Siirtymämetallielementtien tai harvinaisten maametallien seostus ei ainoastaan alenna tehokkaasti kasvulämpötilaa, vaan näyttää olevan ainoa tapa parantaa merkittävästi hiilen liukoisuutta Si-sulassa. Siirtymäryhmän metallien lisäys, kuten Ti [8, 14-16, 19, 40-52], Cr [29, 30, 43, 50, 53-75], Co [63, 76], Fe [77- 80] jne. tai harvinaisia maametalleja, kuten Ce [81], Y [82], Sc jne. Si-sulaan sallii hiilen liukoisuuden ylittää 50 at.% tilassa, joka on lähellä termodynaamista tasapainoa. Lisäksi LPE-tekniikka on suotuisa piikarbidin P-tyypin dopingille, joka voidaan saavuttaa seostamalla Al:ta
liuotin [50, 53, 56, 59, 64, 71-73, 82, 83]. Alin sisällyttäminen johtaa kuitenkin P-tyypin SiC-yksittäisten kiteiden resistiivisyyden kasvuun [49, 56]. Lukuun ottamatta N-tyypin kasvua typen dopingin alla,
liuoksen kasvu tapahtuu yleensä inertissä kaasukehässä. Vaikka helium (He) on kalliimpaa kuin argon, monet tutkijat suosivat sitä alhaisemman viskositeetin ja korkeamman lämmönjohtavuuden vuoksi (8 kertaa argon) [85]. Migraationopeus ja Cr-pitoisuus 4H-SiC:ssä ovat samanlaiset He- ja Ar-ilmakehässä, on todistettu, että kasvu Heresin alla johtaa korkeampaan kasvuvauhtiin kuin kasvun alle Ar:n siemenpidikkeen suuremman lämmönhajoamisen vuoksi [68]. Hän estää tyhjien muodostumisen kasvaneen kiteen sisällä ja spontaanien ytimien muodostumisen liuoksessa, jolloin saadaan tasainen pinnan morfologia [86].
Tässä artikkelissa esiteltiin piikarbidilaitteiden kehitys, sovellukset ja ominaisuudet sekä kolme päämenetelmää piikarbidin yksikiteiden kasvattamiseen. Seuraavissa osioissa käytiin läpi nykyiset ratkaisun kasvutekniikat ja niitä vastaavat keskeiset parametrit. Lopuksi ehdotettiin näkymää, jossa käsiteltiin haasteita ja tulevia töitä koskien piikarbidin yksittäiskiteiden massakasvua liuosmenetelmällä.
Postitusaika: 01.07.2024