Come mostrato in Fig. 3, esistono tre tecniche dominanti che mirano a fornire un singolo cristallo SiC di alta qualità ed efficienza: epitassia in fase liquida (LPE), trasporto fisico di vapore (PVT) e deposizione di vapore chimico ad alta temperatura (HTCVD). Il PVT è un processo consolidato per la produzione di monocristalli SiC, ampiamente utilizzato nei principali produttori di wafer.
Tuttavia, tutti e tre i processi sono in rapida evoluzione e innovazione. Non è ancora possibile stabilire quale processo sarà ampiamente adottato in futuro. In particolare, negli ultimi anni è stato segnalato un singolo cristallo di SiC di alta qualità prodotto mediante crescita della soluzione a un ritmo considerevole, la crescita di massa di SiC nella fase liquida richiede una temperatura inferiore a quella del processo di sublimazione o deposizione e dimostra eccellenza nella produzione di P substrati SiC di tipo -tipo (Tabella 3) [33, 34].
Fig. 3: Schema di tre tecniche di crescita del singolo cristallo SiC dominanti: (a) epitassia in fase liquida; b) trasporto fisico del vapore; (c) deposizione di vapori chimici ad alta temperatura
Tabella 3: Confronto tra LPE, PVT e HTCVD per la crescita di cristalli singoli di SiC [33, 34]
La crescita della soluzione è una tecnologia standard per la preparazione di semiconduttori composti [36]. A partire dagli anni '60, i ricercatori hanno tentato di sviluppare un cristallo in soluzione [37]. Una volta sviluppata la tecnologia, la sovrasaturazione della superficie di crescita può essere ben controllata, il che rende il metodo di soluzione una tecnologia promettente per ottenere lingotti monocristallini di alta qualità.
Per la crescita in soluzione del monocristallo di SiC, la fonte di Si deriva da una fusione di Si altamente puro mentre il crogiolo di grafite ha un duplice scopo: riscaldatore e fonte di soluto di C. I singoli cristalli di SiC hanno maggiori probabilità di crescere sotto il rapporto stechiometrico ideale quando il rapporto tra C e Si è vicino a 1, indicando una densità di difetti inferiore [28]. Tuttavia, a pressione atmosferica, il SiC non presenta punto di fusione e si decompone direttamente tramite vaporizzazione a temperature superiori a circa 2.000 °C. Secondo le aspettative teoriche, le fusioni di SiC possono formarsi solo in condizioni severe, come si può vedere dal diagramma di fase binario Si-C (Fig. 4) che in base al gradiente di temperatura e al sistema di soluzione. Quanto più alto è il C nel Si fuso, varia dall'1% al 13%. La sovrasaturazione del C determinante, più veloce è il tasso di crescita, mentre la bassa forza di crescita del C è la sovrasaturazione del C che è dominata da una pressione di 109 Pa e temperature superiori a 3.200 °C. La sovrasaturazione può produrre una superficie liscia [22, 36-38]. A temperature comprese tra 1.400 e 2.800 °C, la solubilità del C nel Si fuso varia dall'1% al 13% La forza trainante della crescita è la sovrasaturazione di C che è dominata dal gradiente di temperatura e dal sistema di soluzione. Maggiore è la sovrasaturazione di C, più veloce è il tasso di crescita, mentre una bassa sovrasaturazione di C produce una superficie liscia [22, 36-38].
Fig. 4: Diagramma di fase binario Si-C [40]
Il drogaggio di elementi metallici di transizione o di terre rare non solo abbassa efficacemente la temperatura di crescita, ma sembra essere l'unico modo per migliorare drasticamente la solubilità del carbonio nel Si fuso. L'aggiunta di metalli del gruppo di transizione, come Ti [8, 14-16, 19, 40-52], Cr [29, 30, 43, 50, 53-75], Co [63, 76], Fe [77- 80], ecc. o metalli delle terre rare, come Ce [81], Y [82], Sc, ecc. alla fusione di Si consente alla solubilità del carbonio di superare 50at.% in uno stato vicino all'equilibrio termodinamico. Inoltre, la tecnica LPE è favorevole al drogaggio di tipo P del SiC, che può essere ottenuto legando l'Al nel
solvente [50, 53, 56, 59, 64, 71-73, 82, 83]. Tuttavia, l'incorporazione di Al porta ad un aumento della resistività dei singoli cristalli SiC di tipo P [49, 56]. A parte la crescita di tipo N sotto drogaggio con azoto,
la crescita della soluzione generalmente procede in un'atmosfera di gas inerte. Sebbene l’elio (He) sia più costoso dell’argon, è preferito da molti studiosi per la sua minore viscosità e maggiore conduttività termica (8 volte l’argon) [85]. La velocità di migrazione e il contenuto di Cr nel 4H-SiC sono simili in atmosfera di He e Ar, è dimostrato che la crescita sotto Here risulta in un tasso di crescita più elevato rispetto alla crescita sotto Ar a causa della maggiore dissipazione del calore del supporto del seme [68]. Impedisce la formazione di vuoti all'interno del cristallo cresciuto e la nucleazione spontanea nella soluzione, quindi si può ottenere una morfologia superficiale liscia [86].
Questo articolo ha introdotto lo sviluppo, le applicazioni e le proprietà dei dispositivi SiC e i tre metodi principali per coltivare il monocristallo SiC. Nelle sezioni seguenti sono state esaminate le attuali tecniche di crescita della soluzione e i corrispondenti parametri chiave. Infine, è stata proposta una prospettiva che discuteva le sfide e i lavori futuri riguardanti la crescita in massa di singoli cristalli di SiC tramite il metodo della soluzione.
Orario di pubblicazione: 01-lug-2024