Zoals weergegeven in figuur 3 zijn er drie dominante technieken die erop gericht zijn een SiC-monokristal van hoge kwaliteit en efficiëntie te verschaffen: vloeistoffase-epitaxie (LPE), fysisch damptransport (PVT) en chemische dampafzetting op hoge temperatuur (HTCVD). PVT is een beproefd proces voor de productie van SiC-monokristal, dat veel wordt gebruikt door grote wafelfabrikanten.
Alle drie de processen evolueren en innoveren echter snel. Het is nog niet mogelijk om te voorspellen welk proces in de toekomst op grote schaal zal worden toegepast. In het bijzonder is de afgelopen jaren melding gemaakt van hoogwaardige SiC-eenkristallen die in aanzienlijke mate zijn geproduceerd door oplossingsgroei. SiC-bulkgroei in de vloeibare fase vereist een lagere temperatuur dan die van het sublimatie- of depositieproces, en het demonstreert uitmuntendheid in de productie van P. SiC-substraten van het type (Tabel 3) [33, 34].
Fig. 3: Schematische weergave van drie dominante technieken voor de groei van een enkel kristal van SiC: (a) epitaxie in de vloeibare fase; b) fysiek damptransport; c) chemische dampafzetting bij hoge temperatuur
Tabel 3: Vergelijking van LPE, PVT en HTCVD voor het kweken van SiC-eenkristallen [33, 34]
Oplossingsgroei is een standaardtechnologie voor het bereiden van samengestelde halfgeleiders [36]. Sinds de jaren zestig hebben onderzoekers geprobeerd een kristal in oplossing te ontwikkelen [37]. Zodra de technologie is ontwikkeld, kan de oververzadiging van het groeioppervlak goed worden gecontroleerd, wat de oplossingsmethode tot een veelbelovende technologie maakt voor het verkrijgen van hoogwaardige monokristallijne blokken.
Voor oplossingsgroei van SiC-monokristallen komt de Si-bron voort uit de zeer zuivere Si-smelt, terwijl de grafietkroes twee doelen dient: verwarmer en C-bron van opgeloste stoffen. Het is waarschijnlijker dat SiC-monokristallen groeien onder de ideale stoichiometrische verhouding wanneer de verhouding tussen C en Si dichtbij 1 ligt, wat wijst op een lagere defectdichtheid [28]. Bij atmosferische druk vertoont SiC echter geen smeltpunt en ontleedt het direct via verdamping bij temperaturen boven de 2.000 °C. SiC-smelten kunnen, volgens theoretische verwachtingen, alleen worden gevormd onder ernstige omstandigheden, zoals blijkt uit het binaire fasediagram van Si-C (Fig. 4) bij temperatuurgradiënt en oplossingssysteem. Hoe hoger de C in de Si-smelt varieert van 1 at.% tot 13 at.%. De drijvende kracht achter C-oververzadiging is des te sneller de groeisnelheid, terwijl de lage C-kracht van de groei de C-oververzadiging is die wordt gedomineerd door een druk van 109 Pa en temperaturen boven 3.200 ° C. Door oververzadiging kan een glad oppervlak ontstaan [22, 36-38]. Bij temperaturen tussen 1.400 en 2.800 °C varieert de oplosbaarheid van C in de Si-smelt van 1 at.% tot 13 at.%. De drijvende kracht achter de groei is de C-oververzadiging die wordt gedomineerd door de temperatuurgradiënt en het oplossingssysteem. Hoe hoger de C-oververzadiging, hoe sneller de groeisnelheid, terwijl een lage C-oververzadiging een glad oppervlak oplevert [22, 36-38].
Afb. 4: Binair fasediagram Si-C [40]
Het doteren van overgangsmetaalelementen of zeldzame aardmetalen verlaagt niet alleen effectief de groeitemperatuur, maar lijkt de enige manier te zijn om de koolstofoplosbaarheid in Si-smelt drastisch te verbeteren. De toevoeging van metalen uit de overgangsgroep, zoals Ti [8, 14-16, 19, 40-52], Cr [29, 30, 43, 50, 53-75], Co [63, 76], Fe [77- 80], enz. of zeldzame aardmetalen, zoals Ce [81], Y [82], Sc, enz. aan de Si-smelt zorgt ervoor dat de koolstofoplosbaarheid groter wordt dan 50at.% in een toestand dichtbij thermodynamisch evenwicht. Bovendien is de LPE-techniek gunstig voor het P-type doteren van SiC, wat kan worden bereikt door Al in het te legeren
oplosmiddel [50, 53, 56, 59, 64, 71-73, 82, 83]. De opname van Al leidt echter tot een toename van de soortelijke weerstand van P-type SiC-eenkristallen [49, 56]. Afgezien van de groei van het N-type onder stikstofdotering,
oplossingsgroei verloopt doorgaans in een atmosfeer van inert gas. Hoewel helium (He) duurder is dan argon, geniet het de voorkeur van veel wetenschappers vanwege de lagere viscositeit en hogere thermische geleidbaarheid (8 maal argon) [85]. De migratiesnelheid en het Cr-gehalte in 4H-SiC zijn vergelijkbaar onder He- en Ar-atmosfeer. Het is bewezen dat groei onder Heres een hogere groeisnelheid oplevert dan groei onder Ar als gevolg van de grotere warmtedissipatie van de zaadhouder [68]. Hij verhindert de vorming van holtes in het gegroeide kristal en de spontane kernvorming in de oplossing, waardoor een gladde oppervlaktemorfologie kan worden verkregen [86].
Dit artikel introduceert de ontwikkeling, toepassingen en eigenschappen van SiC-apparaten, en de drie belangrijkste methoden voor het kweken van SiC-monokristal. In de volgende paragrafen werden de huidige technieken voor oplossingsgroei en de bijbehorende sleutelparameters besproken. Ten slotte werd een visie voorgesteld waarin de uitdagingen en toekomstige werkzaamheden met betrekking tot de bulkgroei van SiC-eenkristallen via de oplossingsmethode werden besproken.
Posttijd: 01 juli 2024