SiC क्रिस्टल वृद्धि के लिए तीन प्रमुख तकनीकें

जैसा कि चित्र 3 में दिखाया गया है, तीन प्रमुख तकनीकें हैं जिनका लक्ष्य SiC एकल क्रिस्टल को उच्च गुणवत्ता और दक्षता प्रदान करना है: तरल चरण एपिटैक्सी (LPE), भौतिक वाष्प परिवहन (PVT), और उच्च तापमान रासायनिक वाष्प जमाव (HTCVD)। PVT SiC सिंगल क्रिस्टल के उत्पादन के लिए एक अच्छी तरह से स्थापित प्रक्रिया है, जिसका उपयोग प्रमुख वेफर निर्माताओं में व्यापक रूप से किया जाता है।

हालाँकि, तीनों प्रक्रियाएँ तेजी से विकसित और नवीन हो रही हैं। यह कहना अभी संभव नहीं है कि भविष्य में कौन सी प्रक्रिया व्यापक रूप से अपनाई जाएगी। विशेष रूप से, हाल के वर्षों में समाधान वृद्धि द्वारा उत्पादित उच्च गुणवत्ता वाले SiC एकल क्रिस्टल को काफी दर से रिपोर्ट किया गया है, तरल चरण में SiC थोक वृद्धि के लिए उर्ध्वपातन या जमाव प्रक्रिया की तुलना में कम तापमान की आवश्यकता होती है, और यह P के उत्पादन में उत्कृष्टता प्रदर्शित करता है। -प्रकार SiC सबस्ट्रेट्स (तालिका 3) [33, 34]।

चित्र 3: तीन प्रमुख SiC एकल क्रिस्टल विकास तकनीकों का योजनाबद्ध: (ए) तरल चरण एपिटैक्सी; (बी) भौतिक वाष्प परिवहन; (सी) उच्च तापमान रासायनिक वाष्प जमाव

तालिका 3: बढ़ते SiC एकल क्रिस्टल के लिए LPE, PVT और HTCVD की तुलना [33, 34]

यौगिक अर्धचालक तैयार करने के लिए समाधान वृद्धि एक मानक तकनीक है [36]। 1960 के दशक से, शोधकर्ताओं ने घोल में एक क्रिस्टल विकसित करने का प्रयास किया है [37]। एक बार प्रौद्योगिकी विकसित हो जाने के बाद, विकास सतह की सुपरसैचुरेशन को अच्छी तरह से नियंत्रित किया जा सकता है, जो उच्च गुणवत्ता वाले एकल क्रिस्टल सिल्लियां प्राप्त करने के लिए समाधान विधि को एक आशाजनक तकनीक बनाता है।

SiC एकल क्रिस्टल के समाधान विकास के लिए, Si स्रोत अत्यधिक शुद्ध Si पिघल से उत्पन्न होता है जबकि ग्रेफाइट क्रूसिबल दोहरे उद्देश्यों को पूरा करता है: हीटर और C विलेय स्रोत। जब C और Si का अनुपात 1 के करीब होता है, तो आदर्श स्टोइकोमेट्रिक अनुपात के तहत SiC एकल क्रिस्टल बढ़ने की अधिक संभावना होती है, जो कम दोष घनत्व का संकेत देता है [28]। हालाँकि, वायुमंडलीय दबाव पर, SiC कोई गलनांक नहीं दिखाता है और लगभग 2,000 डिग्री सेल्सियस से अधिक वाष्पीकरण तापमान के माध्यम से सीधे विघटित हो जाता है। सैद्धांतिक अपेक्षाओं के अनुसार, SiC पिघलता है, जो केवल Si-C बाइनरी चरण आरेख (छवि 4) से देखा जा सकता है, जो कि तापमान ढाल और समाधान प्रणाली द्वारा गंभीर रूप से देखा जा सकता है। सी पिघल में सी जितना अधिक होता है वह 1at.% से 13at.% तक भिन्न होता है। ड्राइविंग सी सुपरसैचुरेशन, तेजी से विकास दर, जबकि कम सी वृद्धि की शक्ति सी सुपरसैचुरेशन है जो 109 पीए के दबाव और 3,200 डिग्री सेल्सियस से ऊपर के तापमान पर हावी है। यह सुपरसैचुरेशन एक चिकनी सतह का उत्पादन कर सकता है [22, 36-38]। 1,400 और 2,800 डिग्री सेल्सियस के बीच तापमान, सी पिघल में सी की घुलनशीलता 1at.% से 13at.% तक भिन्न होती है। वृद्धि की प्रेरक शक्ति सी सुपरसैचुरेशन है जो तापमान प्रवणता और समाधान प्रणाली पर हावी है। सी सुपरसैचुरेशन जितना अधिक होगा, विकास दर उतनी ही तेज होगी, जबकि कम सी सुपरसैचुरेशन एक चिकनी सतह पैदा करता है [22, 36-38]।

चित्र 4: सी-सी बाइनरी चरण आरेख [40]

डोपिंग संक्रमण धातु तत्व या दुर्लभ-पृथ्वी तत्व न केवल विकास तापमान को प्रभावी ढंग से कम करते हैं बल्कि सी पिघल में कार्बन घुलनशीलता में भारी सुधार करने का एकमात्र तरीका प्रतीत होता है। संक्रमण समूह धातुओं का योग, जैसे Ti [8, 14-16, 19, 40-52], Cr [29, 30, 43, 50, 53-75], Co [63, 76], Fe [77- 80], आदि या दुर्लभ पृथ्वी धातुएं, जैसे सीई [81], वाई [82], एससी, आदि सी पिघलने से कार्बन घुलनशीलता को पार करने की अनुमति मिलती है थर्मोडायनामिक संतुलन के करीब की स्थिति में 50at.%। इसके अलावा, एलपीई तकनीक सीआईसी के पी-प्रकार डोपिंग के लिए अनुकूल है, जिसे अल में अलॉय करके प्राप्त किया जा सकता है
विलायक [50, 53, 56, 59, 64, 71-73, 82, 83]। हालाँकि, अल के समावेश से पी-प्रकार SiC एकल क्रिस्टल की प्रतिरोधकता में वृद्धि होती है [49, 56]। नाइट्रोजन डोपिंग के तहत एन-प्रकार की वृद्धि के अलावा,

समाधान विकास आम तौर पर अक्रिय गैस वातावरण में होता है। यद्यपि हीलियम (He) आर्गन की तुलना में अधिक महंगा है, लेकिन इसकी कम चिपचिपाहट और उच्च तापीय चालकता (आर्गन का 8 गुना) [85] के कारण कई विद्वानों द्वारा इसका समर्थन किया जाता है। 4H-SiC में प्रवासन दर और Cr सामग्री He और Ar वायुमंडल के तहत समान है, यह साबित हो गया है कि बीज धारक के बड़े ताप अपव्यय के कारण Ar के तहत विकास की तुलना में हेरे के तहत विकास दर अधिक होती है [68]। वह विकसित क्रिस्टल के अंदर रिक्त स्थान के निर्माण और समाधान में सहज न्यूक्लियेशन में बाधा डालता है, फिर, एक चिकनी सतह आकृति विज्ञान प्राप्त किया जा सकता है [86]।

इस पेपर ने SiC उपकरणों के विकास, अनुप्रयोगों और गुणों और SiC सिंगल क्रिस्टल को उगाने की तीन मुख्य विधियों का परिचय दिया। निम्नलिखित अनुभागों में, वर्तमान समाधान विकास तकनीकों और संबंधित प्रमुख मापदंडों की समीक्षा की गई। अंत में, एक दृष्टिकोण प्रस्तावित किया गया जिसमें समाधान विधि के माध्यम से SiC एकल क्रिस्टल के थोक विकास के संबंध में चुनौतियों और भविष्य के कार्यों पर चर्चा की गई।