Comme le montre la figure 3, il existe trois techniques dominantes visant à fournir un monocristal de SiC de haute qualité et efficacité : l'épitaxie en phase liquide (LPE), le transport physique de vapeur (PVT) et le dépôt chimique en phase vapeur à haute température (HTCVD). Le PVT est un procédé bien établi pour la production de monocristal de SiC, largement utilisé par les principaux fabricants de plaquettes.
Cependant, les trois processus évoluent et innovent rapidement. Il n’est pas encore possible de prédire quel processus sera largement adopté à l’avenir. En particulier, des monocristaux de SiC de haute qualité produits par croissance en solution à un rythme considérable ont été rapportés ces dernières années. La croissance massive du SiC en phase liquide nécessite une température plus basse que celle du processus de sublimation ou de dépôt et démontre l'excellence dans la production de P. -substrats SiC de type (Tableau 3) [33, 34].
Fig. 3 : Schéma de trois techniques dominantes de croissance de monocristaux de SiC : (a) épitaxie en phase liquide ; (b) le transport physique de vapeur ; (c) dépôt chimique en phase vapeur à haute température
Tableau 3 : Comparaison du LPE, du PVT et du HTCVD pour la croissance de monocristaux de SiC [33, 34]
La croissance de solutions est une technologie standard pour préparer des semi-conducteurs composés [36]. Depuis les années 1960, les chercheurs tentent de développer un cristal en solution [37]. Une fois la technologie développée, la sursaturation de la surface de croissance peut être bien contrôlée, ce qui fait de la méthode de mise en solution une technologie prometteuse pour l’obtention de lingots monocristallins de haute qualité.
Pour la croissance en solution d'un monocristal de SiC, la source de Si provient d'une fonte de Si hautement pure, tandis que le creuset en graphite sert à deux fins : chauffage et source de soluté C. Les monocristaux de SiC sont plus susceptibles de croître sous le rapport stœchiométrique idéal lorsque le rapport C/Si est proche de 1, ce qui indique une densité de défauts plus faible (28). Cependant, à pression atmosphérique, le SiC ne présente aucun point de fusion et se décompose directement via des températures de vaporisation supérieures à environ 2 000 °C. Les fusions de SiC, selon les attentes théoriques, ne peuvent se former que dans des conditions sévères, comme le montre le diagramme de phase binaire Si-C (Fig. 4), en fonction du gradient de température et du système de solution. Plus le C dans le Si fondu varie de 1at.% à 13at.%. Plus la sursaturation en C est importante, plus le taux de croissance est rapide, tandis que la faible force de croissance en C est la sursaturation en C qui est dominée par une pression de 109 Pa et des températures supérieures à 3 200 °C. La sursaturation peut produire une surface lisse [22, 36-38]. À des températures comprises entre 1 400 et 2 800 °C, la solubilité du C dans la masse fondue de Si varie de 1 % en at. à 13 % en at. La force motrice de la croissance est la sursaturation en C qui est dominée par le gradient de température et le système de solution. Plus la sursaturation en C est élevée, plus le taux de croissance est rapide, tandis qu'une faible sursaturation en C produit une surface lisse [22, 36-38].
Fig. 4 : Diagramme de phase binaire Si-C [40]
Le dopage d'éléments de métaux de transition ou d'éléments de terres rares abaisse non seulement efficacement la température de croissance, mais semble être le seul moyen d'améliorer considérablement la solubilité du carbone dans le silicium fondu. L'ajout de métaux du groupe de transition, tels que Ti [8, 14-16, 19, 40-52], Cr [29, 30, 43, 50, 53-75], Co [63, 76], Fe [77- 80], etc. ou des métaux des terres rares, tels que Ce [81], Y [82], Sc, etc. à la masse fondue de Si permet à la solubilité du carbone de dépasser 50at.% dans un état proche de l'équilibre thermodynamique. De plus, la technique LPE est favorable au dopage de type P du SiC, qui peut être obtenu en alliant Al dans le
solvant [50, 53, 56, 59, 64, 71-73, 82, 83]. Cependant, l'incorporation d'Al entraîne une augmentation de la résistivité des monocristaux de SiC de type P [49, 56]. Outre la croissance de type N sous dopage à l'azote,
la croissance de la solution se déroule généralement dans une atmosphère de gaz inerte. Bien que l’hélium (He) soit plus cher que l’argon, il est favorisé par de nombreux chercheurs en raison de sa plus faible viscosité et de sa conductivité thermique plus élevée (8 fois celle de l’argon) [85]. Le taux de migration et la teneur en Cr dans 4H-SiC sont similaires sous atmosphère de He et Ar, il est prouvé que la croissance sous Here entraîne un taux de croissance plus élevé que la croissance sous Ar en raison de la plus grande dissipation thermique du porte-graines [68]. Il empêche la formation de vides à l'intérieur du cristal développé et la nucléation spontanée dans la solution, ce qui permet d'obtenir une morphologie de surface lisse (86).
Cet article présente le développement, les applications et les propriétés des dispositifs SiC, ainsi que les trois principales méthodes de croissance du monocristal SiC. Dans les sections suivantes, les techniques actuelles de croissance de solutions et les paramètres clés correspondants ont été examinés. Enfin, une perspective a été proposée, abordant les défis et les travaux futurs concernant la croissance massive de monocristaux de SiC via la méthode de solution.
Heure de publication : 01 juillet 2024