Kao što je prikazano na slici 3, postoje tri dominantne tehnike koje imaju za cilj osigurati monokristal SiC visoke kvalitete i učinkovitosti: epitaksija tekuće faze (LPE), fizički prijenos pare (PVT) i visokotemperaturno kemijsko taloženje parom (HTCVD). PVT je dobro uspostavljen postupak za proizvodnju monokristala SiC, koji se široko koristi u velikim proizvođačima pločica.
Međutim, sva se tri procesa brzo razvijaju i inoviraju. Još nije moguće ustvrditi koji će proces biti široko prihvaćen u budućnosti. Konkretno, posljednjih je godina zabilježen visokokvalitetni monokristal SiC proizveden rastom otopine velikom brzinom, masivni rast SiC u tekućoj fazi zahtijeva nižu temperaturu od one kod procesa sublimacije ili taloženja, i pokazuje izvrsnost u proizvodnji P -tipa SiC supstrata (tablica 3) [33, 34].
Slika 3: Shema tri dominantne tehnike rasta monokristala SiC: (a) epitaksija tekuće faze; (b) fizički prijenos pare; (c) visokotemperaturno kemijsko taloženje iz pare
Tablica 3: Usporedba LPE, PVT i HTCVD za uzgoj monokristala SiC [33, 34]
Rast otopine je standardna tehnologija za pripremu složenih poluvodiča [36]. Od 1960-ih istraživači su pokušavali razviti kristal u otopini [37]. Jednom kada se tehnologija razvije, može se dobro kontrolirati prezasićenost površine rasta, što metodu otopine čini obećavajućom tehnologijom za dobivanje visokokvalitetnih monokristalnih ingota.
Za rast monokristala SiC u otopini, izvor Si proizlazi iz visoko čiste taline Si dok grafitni lončić služi u dvije svrhe: grijač i izvor C otopljene tvari. Vjerojatnije je da će monokristali SiC rasti pod idealnim stehiometrijskim omjerom kada je omjer C i Si blizu 1, što ukazuje na manju gustoću defekata [28]. Međutim, pri atmosferskom tlaku, SiC nema točku taljenja i raspada se izravno preko temperatura isparavanja koje prelaze oko 2000 °C. SiC taline, prema teoretskim očekivanjima, mogu nastati samo pod teškim uvjetima, što se vidi iz Si-C binarnog faznog dijagrama (Sl. 4) prema temperaturnom gradijentu i sustavu otopine. Što je viši C u talini Si varira od 1at.% do 13at.%. Pokretačka C supersaturacija, brža je stopa rasta, dok niska C sila rasta je C supersaturacija kojom dominira tlak od 109 Pa i temperature iznad 3200 °C. Prezasićenost može proizvesti glatku površinu [22, 36-38]. temperaturama između 1400 i 2800 °C, topljivost C u talini Si varira od 1at.% do 13at.%. Pokretačka snaga rasta je prezasićenost C kojom dominira temperaturni gradijent i sustav otopine. Što je veća C supersaturacija, to je brža stopa rasta, dok niska C supersaturacija proizvodi glatku površinu [22, 36-38].
Slika 4: Si-C binarni fazni dijagram [40]
Dopiranje prijelaznih metalnih elemenata ili elemenata rijetkih zemalja ne samo da učinkovito snižava temperaturu rasta, nego se čini jedinim načinom da se drastično poboljša topljivost ugljika u talini Si. Dodavanje metala prijelazne skupine, kao što su Ti [8, 14-16, 19, 40-52], Cr [29, 30, 43, 50, 53-75], Co [63, 76], Fe [77- 80], itd. ili rijetkih zemnih metala, kao što su Ce [81], Y [82], Sc, itd. u talinu Si omogućuje da topljivost ugljika premaši 50at.% u stanju bliskom termodinamičkoj ravnoteži. Štoviše, LPE tehnika je povoljna za P-tip dopiranja SiC, što se može postići legiranjem Al u
otapalo [50, 53, 56, 59, 64, 71-73, 82, 83]. Međutim, ugradnja Al dovodi do povećanja otpornosti monokristala SiC P-tipa [49, 56]. Osim rasta N-tipa pod dopiranjem dušikom,
rast otopine općenito se odvija u atmosferi inertnog plina. Iako je helij (He) skuplji od argona, mnogi znanstvenici ga favoriziraju zbog njegove niže viskoznosti i veće toplinske vodljivosti (8 puta od argona) [85]. Brzina migracije i sadržaj Cr u 4H-SiC slični su u He i Ar atmosferi, dokazano je da rast pod Ovdje rezultira većom stopom rasta nego rast pod Ar zbog veće disipacije topline držača klica [68]. On sprječava stvaranje šupljina unutar uzgojenog kristala i spontanu nukleaciju u otopini, čime se može postići glatka morfologija površine [86].
Ovaj rad predstavlja razvoj, primjenu i svojstva SiC uređaja, te tri glavne metode za uzgoj SiC monokristala. U sljedećim odjeljcima pregledane su trenutne tehnike rasta rješenja i odgovarajući ključni parametri. Naposljetku, predložena je perspektiva koja raspravlja o izazovima i budućim radovima u svezi masovnog rasta monokristala SiC metodom otopine.
Vrijeme objave: 1. srpnja 2024