Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 3, ada tiga teknik dominan yang bertujuan untuk menghasilkan kristal tunggal SiC dengan kualitas dan efisiensi tinggi: epitaksi fase cair (LPE), transportasi uap fisik (PVT), dan deposisi uap kimia suhu tinggi (HTCVD). PVT adalah proses mapan untuk memproduksi kristal tunggal SiC, yang banyak digunakan di produsen wafer besar.
Namun, ketiga proses tersebut berkembang pesat dan berinovasi. Belum dapat dipastikan proses mana yang akan diterapkan secara luas di masa depan. Khususnya, kristal tunggal SiC berkualitas tinggi yang dihasilkan oleh pertumbuhan larutan dengan kecepatan tinggi telah dilaporkan dalam beberapa tahun terakhir, pertumbuhan massal SiC dalam fase cair memerlukan suhu yang lebih rendah dibandingkan dengan proses sublimasi atau deposisi, dan hal ini menunjukkan keunggulan dalam memproduksi P. -jenis substrat SiC (Tabel 3) [33, 34].
Gambar 3: Skema tiga teknik pertumbuhan kristal tunggal SiC yang dominan: (a) epitaksi fase cair; (b) pengangkutan uap secara fisik; (c) pengendapan uap kimia suhu tinggi
Tabel 3: Perbandingan LPE, PVT dan HTCVD untuk menumbuhkan kristal tunggal SiC [33, 34]
Pertumbuhan solusi adalah teknologi standar untuk menyiapkan semikonduktor majemuk [36]. Sejak tahun 1960an, para peneliti telah berusaha mengembangkan kristal dalam larutan [37]. Setelah teknologi dikembangkan, supersaturasi permukaan pertumbuhan dapat dikontrol dengan baik, menjadikan metode solusi sebagai teknologi yang menjanjikan untuk memperoleh ingot kristal tunggal berkualitas tinggi.
Untuk pertumbuhan larutan kristal tunggal SiC, sumber Si berasal dari lelehan Si yang sangat murni sedangkan wadah grafit memiliki dua tujuan: pemanas dan sumber zat terlarut C. Kristal tunggal SiC lebih mungkin tumbuh di bawah rasio stoikiometri ideal ketika rasio C dan Si mendekati 1, yang menunjukkan kepadatan cacat yang lebih rendah [28]. Namun, pada tekanan atmosfer, SiC tidak menunjukkan titik leleh dan langsung terurai melalui penguapan pada suhu melebihi sekitar 2.000 °C. Pelelehan SiC, menurut ekspektasi teoretis, hanya dapat terbentuk dalam kondisi parah seperti yang terlihat dari diagram fase biner Si-C (Gbr. 4) yang dipengaruhi oleh gradien suhu dan sistem solusi. Semakin tinggi C dalam lelehan Si bervariasi dari 1at.% hingga 13at.%. Penggerak jenuh C maka laju pertumbuhannya semakin cepat, sedangkan kekuatan pertumbuhan C yang rendah adalah melalui jenuh C yang didominasi tekanan 109 Pa dan suhu diatas 3.200 °C. Supersaturasi dapat menghasilkan permukaan halus [22, 36-38]. Pada suhu antara 1.400 dan 2.800 °C, kelarutan C dalam lelehan Si bervariasi dari 1at.% hingga 13at.%. Pendorong pertumbuhannya adalah supersaturasi C yang didominasi oleh gradien suhu dan sistem larutan. Semakin tinggi supersaturasi C maka laju pertumbuhannya semakin cepat, sedangkan supersaturasi C yang rendah menghasilkan permukaan yang halus [22, 36-38].
Gambar 4: Diagram fase biner Si-C [40]
Doping unsur logam transisi atau unsur tanah jarang tidak hanya secara efektif menurunkan suhu pertumbuhan tetapi tampaknya menjadi satu-satunya cara untuk secara drastis meningkatkan kelarutan karbon dalam lelehan Si. Penambahan logam golongan transisi seperti Ti [8, 14-16, 19, 40-52], Cr [29, 30, 43, 50, 53-75], Co [63, 76], Fe [77- 80], dll. atau logam tanah jarang, seperti Ce [81], Y [82], Sc, dll. pada lelehan Si memungkinkan kelarutan karbon menjadi melebihi 50at.% dalam keadaan mendekati kesetimbangan termodinamika. Selain itu, teknik LPE cocok untuk doping SiC tipe-P, yang dapat dicapai dengan memadukan Al ke dalam
pelarut [50, 53, 56, 59, 64, 71-73, 82, 83]. Namun, penggabungan Al menyebabkan peningkatan resistivitas kristal tunggal SiC tipe-P [49, 56]. Selain pertumbuhan tipe-N di bawah doping nitrogen,
pertumbuhan larutan umumnya berlangsung dalam atmosfer gas inert. Meskipun helium (He) lebih mahal daripada argon, helium lebih disukai oleh banyak ilmuwan karena viskositasnya yang lebih rendah dan konduktivitas termal yang lebih tinggi (8 kali lipat argon) [85]. Laju migrasi dan kandungan Cr pada 4H-SiC serupa pada atmosfer He dan Ar, hal ini membuktikan bahwa pertumbuhan pada atmosfer Here menghasilkan laju pertumbuhan yang lebih tinggi dibandingkan pertumbuhan pada atmosfer Ar karena pembuangan panas yang lebih besar pada pemegang benih [68]. Dia menghambat pembentukan rongga di dalam kristal yang tumbuh dan nukleasi spontan dalam larutan, sehingga morfologi permukaan halus dapat diperoleh [86].
Makalah ini memperkenalkan pengembangan, aplikasi, dan properti perangkat SiC, serta tiga metode utama untuk menumbuhkan kristal tunggal SiC. Pada bagian berikut, teknik pertumbuhan solusi saat ini dan parameter utama terkait ditinjau. Akhirnya, sebuah pandangan diusulkan yang membahas tantangan dan pekerjaan di masa depan mengenai pertumbuhan massal kristal tunggal SiC melalui metode solusi.
Waktu posting: 01-Jul-2024