Kā parādīts 3. attēlā, pastāv trīs dominējošie paņēmieni, kuru mērķis ir nodrošināt SiC monokristālu ar augstu kvalitāti un efektivitāti: šķidrās fāzes epitaksija (LPE), fizikālā tvaiku transportēšana (PVT) un augstas temperatūras ķīmiskā tvaiku pārklāšana (HTCVD). PVT ir vispāratzīts process SiC monokristālu ražošanai, ko plaši izmanto lielākajos vafeļu ražotājos.
Tomēr visi trīs procesi strauji attīstās un rada jauninājumus. Pagaidām nav iespējams noteikt, kurš process tiks plaši izmantots nākotnē. Jo īpaši pēdējos gados ir ziņots par augstas kvalitātes SiC monokristāliem, kas iegūti, strauji augot šķīdumā, SiC lielapjoma augšanai šķidrā fāzē ir nepieciešama zemāka temperatūra nekā sublimācijas vai nogulsnēšanas procesā, un tas demonstrē izcilību P ražošanā. -tipa SiC substrāti (3. tabula) [33, 34].
3. attēls. Trīs dominējošo SiC monokristālu audzēšanas metožu shēma: (a) šķidrās fāzes epitaksija; b) fiziska tvaika transportēšana; c) augstas temperatūras ķīmiskā tvaiku pārklāšana
3. tabula. LPE, PVT un HTCVD salīdzinājums SiC monokristālu audzēšanai [33, 34]
Šķīduma augšana ir standarta tehnoloģija salikto pusvadītāju sagatavošanai [36]. Kopš 1960. gadiem pētnieki ir mēģinājuši izveidot kristālu šķīdumā [37]. Kad tehnoloģija ir izstrādāta, augšanas virsmas pārsātinājumu var labi kontrolēt, kas padara šķīduma metodi par daudzsološu tehnoloģiju augstas kvalitātes monokristālu lietņu iegūšanai.
SiC monokristālu audzēšanai šķīdumā Si avots rodas no ļoti tīra Si kausējuma, savukārt grafīta tīģelis kalpo diviem mērķiem: sildītājs un C izšķīdušās vielas avots. SiC monokristāliem ir lielāka iespēja augt zem ideālās stehiometriskās attiecības, ja C un Si attiecība ir tuvu 1, kas norāda uz mazāku defektu blīvumu [28]. Tomēr atmosfēras spiedienā SiC neuzrāda kušanas temperatūru un sadalās tieši iztvaikošanas temperatūrā, kas pārsniedz aptuveni 2000 °C. SiC kausējumi, saskaņā ar teorētiskajām prognozēm, var veidoties tikai smagā stāvoklī, kas redzams no Si-C binārās fāzes diagrammas (4. att.), kas pie temperatūras gradienta un šķīduma sistēmas. Jo augstāks C saturs Si kausējumā svārstās no 1at.% līdz 13at.%. Vadošais C pārsātinājums, jo ātrāks augšanas ātrums, savukārt zemais C augšanas spēks ir C pārsātinājums, kurā dominē spiediens 109 Pa un temperatūra virs 3200 °C. To var pārsātināt, iegūst gludu virsmu [22, 36-38].temperatūra no 1400 līdz 2800 °C, C šķīdība Si kausējumā svārstās no 1at.% līdz 13at.%. Izaugsmes dzinējspēks ir C pārsātinājums, kurā dominē temperatūras gradients un šķīduma sistēma. Jo augstāks C pārsātinājums, jo ātrāks augšanas ātrums, savukārt zems C pārsātinājums rada gludu virsmu [22, 36-38].
4. att.: Si-C binārā fāzes diagramma [40]
Dopinga pārejas metālu elementi vai retzemju elementi ne tikai efektīvi pazemina augšanas temperatūru, bet, šķiet, ir vienīgais veids, kā krasi uzlabot oglekļa šķīdību Si kausējumā. Pārejas grupas metālu pievienošana, piemēram, Ti [8, 14-16, 19, 40-52], Cr [29, 30, 43, 50, 53-75], Co [63, 76], Fe [77- 80] utt. vai retzemju metāliem, piemēram, Ce [81], Y [82], Sc utt. līdz Si kausējumam ļauj oglekļa šķīdība pārsniegt 50at.% stāvoklī, kas ir tuvu termodinamiskajam līdzsvaram. Turklāt LPE tehnika ir labvēlīga SiC P veida dopingam, ko var panākt, sakausējot Al
šķīdinātājs [50, 53, 56, 59, 64, 71-73, 82, 83]. Tomēr Al iekļaušana izraisa P-tipa SiC monokristālu pretestības palielināšanos [49, 56]. Izņemot N-tipa augšanu slāpekļa dopinga ietekmē,
šķīduma augšana parasti notiek inertās gāzes atmosfērā. Lai gan hēlijs (He) ir dārgāks par argonu, daudzi zinātnieki to iecienījuši tā zemākas viskozitātes un augstākas siltumvadītspējas (8 reizes argona) dēļ [85]. Migrācijas ātrums un Cr saturs 4H-SiC ir līdzīgs He un Ar atmosfērā, ir pierādīts, ka augšana Heresas apstākļos rada lielāku augšanas ātrumu nekā augšana zem Ar sēklu turētāja lielākas siltuma izkliedes dēļ [68]. Tas kavē tukšumu veidošanos izaugušā kristāla iekšpusē un spontānu kodolu veidošanos šķīdumā, tad var iegūt gludu virsmas morfoloģiju [86].
Šajā rakstā tika iepazīstināta ar SiC ierīču izstrādi, pielietojumu un īpašībām, kā arī trim galvenajām SiC monokristālu audzēšanas metodēm. Nākamajās sadaļās tika pārskatītas pašreizējās risinājumu izaugsmes metodes un atbilstošie galvenie parametri. Visbeidzot, tika ierosināta perspektīva, kurā tika apspriesti izaicinājumi un turpmākie darbi saistībā ar SiC monokristālu lielāko pieaugumu, izmantojot šķīduma metodi.
Publicēšanas laiks: 01.01.2024