כפי שמוצג באיור 3, ישנן שלוש טכניקות דומיננטיות שמטרתן לספק גביש יחיד מסוג SiC באיכות ויעילות גבוהה: אפיטקסיית פאזה נוזלית (LPE), הובלת אדים פיזית (PVT) ותצהיר כימי בטמפרטורה גבוהה (HTCVD). PVT הוא תהליך מבוסס היטב לייצור גביש יחיד מסוג SiC, שנמצא בשימוש נרחב ביצרני פרוסות גדולים.
עם זאת, כל שלושת התהליכים מתפתחים במהירות ומתחדשים. לא ניתן עדיין לקבוע איזה תהליך יאומץ באופן נרחב בעתיד. בייחוד, בשנים האחרונות דווח על גביש יחיד SiC איכותי המיוצר על ידי גידול תמיסה בקצב ניכר, גידול בכמות גדולה של SiC בשלב הנוזל מצריך טמפרטורה נמוכה מזו של תהליך הסובלימציה או השקיעה, והוא מפגין מצוינות בייצור P -סוג מצעי SiC (טבלה 3) [33, 34].
איור 3: סכמטי של שלוש טכניקות צמיחה של גביש יחיד SiC דומיננטיות: (א) אפיטקסיה של שלב נוזלי; (ב) הובלת אדים פיזית; (ג) שקיעת אדים כימיים בטמפרטורה גבוהה
טבלה 3: השוואה בין LPE, PVT ו-HTCVD לגידול גבישי SiC בודדים [33, 34]
צמיחת פתרונות היא טכנולוגיה סטנדרטית להכנת מוליכים למחצה מורכבים [36]. מאז שנות ה-60, חוקרים ניסו לפתח גביש בתמיסה [37]. לאחר פיתוח הטכנולוגיה ניתן לשלוט היטב ברוויית העל של משטח הגידול, מה שהופך את שיטת הפתרון לטכנולוגיה מבטיחה להשגת מטילי גביש בודדים איכותיים.
לצמיחת תמיסה של גביש יחיד מסוג SiC, מקור ה-Si נובע מהמסת Si טהורה ביותר בעוד שכור היתוך הגרפיט משרת מטרות כפולות: מחמם ומקור מומס C. סביר יותר שגבישים בודדים של SiC יגדלו תחת היחס הסטוכיומטרי האידיאלי כאשר היחס בין C ו-Si קרוב ל-1, מה שמעיד על צפיפות פגמים נמוכה יותר [28]. עם זאת, בלחץ אטמוספרי, SiC אינו מראה נקודת התכה ומתפרק ישירות באמצעות אידוי בטמפרטורות העולה על סביב 2,000 מעלות צלזיוס. נמס SiC, על פי ציפיות תיאורטיות, יכול להיווצר רק תחת חומרה ניתן לראות מתרשים הפאזות הבינאריות Si-C (איור 4) כי על ידי שיפוע טמפרטורה ומערכת פתרון. ככל שה-C גבוה יותר בהמסת Si משתנה בין 1at.% ל-13at.%. רווית העל C המניעה, כך קצב הגדילה מהיר יותר, בעוד שכוח ה-C הנמוך של הגידול הוא רווית העל C שנשלטת על לחץ של 109 Pa וטמפרטורות מעל 3,200 מעלות צלזיוס. זה יכול רוויה-על מייצרת משטח חלק [22, 36-38]. טמפרטורות בין 1,400 ל-2,800 מעלות צלזיוס, המסיסות של C בהמסה של Si משתנה בין 1at.% ל-13at.%. הכוח המניע של הגידול הוא רווית העל C שנשלטת על ידי שיפוע טמפרטורה ומערכת פתרון. ככל שרווית העל C גבוהה יותר, כך קצב הגדילה מהיר יותר, בעוד שרווית העל C נמוכה מייצרת משטח חלק [22, 36-38].
איור 4: דיאגרמת פאזה בינארית Si-C [40]
סימום יסודות מתכת מעבר או יסודות אדמה נדירים לא רק מורידים ביעילות את טמפרטורת הגידול, אלא נראה שהדרך היחידה לשפר באופן דרסטי את מסיסות הפחמן בהמסה של Si. תוספת של מתכות מקבוצת מעבר, כגון Ti [8, 14-16, 19, 40-52], Cr [29, 30, 43, 50, 53-75], Co [63, 76], Fe [77- 80], וכו' או מתכות אדמה נדירות, כגון Ce [81], Y [82], Sc וכו' להמסת Si מאפשרת למסיסות הפחמן לעלות על 50at.% במצב קרוב לשיווי משקל תרמודינמי. יתר על כן, טכניקת LPE טובה לסימום מסוג P של SiC, שניתן להשיג על ידי סגסוגת Al לתוך
ממס [50, 53, 56, 59, 64, 71-73, 82, 83]. עם זאת, השילוב של Al מוביל לעלייה בהתנגדות של גבישי SiC בודדים מסוג P [49, 56]. מלבד גידול מסוג N בסימום חנקן,
גידול התמיסה ממשיך בדרך כלל באווירת גז אינרטי. למרות שההליום (He) יקר יותר מארגון, הוא מועדף על ידי חוקרים רבים בשל צמיגותו הנמוכה יותר ומוליכות תרמית גבוהה יותר (פי 8 מארגון) [85]. קצב הנדידה ותכולת ה-Cr ב-4H-SiC דומים באטמוספירה של He ו-Ar, הוכח שצמיחה תחת Here גורמת לקצב גדילה גבוה יותר מאשר צמיחה underAr בגלל פיזור החום הגדול יותר של מחזיק הזרעים [68]. הוא מעכב את היווצרות החללים בתוך הגביש הגדל וגרעין ספונטני בתמיסה, אז ניתן לקבל מורפולוגיה של פני שטח חלקים [86].
מאמר זה הציג את הפיתוח, היישומים והמאפיינים של מכשירי SiC, ואת שלוש השיטות העיקריות לגידול גביש יחיד מסוג SiC. בסעיפים הבאים נסקרו טכניקות הצמיחה הנוכחיות של הפתרונות והפרמטרים המרכזיים המתאימים. לבסוף, הוצעה תחזית שדנה באתגרים ובעבודות עתידיות בנוגע לצמיחה בתפזורת של גבישים בודדים של SiC באמצעות שיטת פתרון.
זמן פרסום: יולי-01-2024