Som vist i fig. 3 er det tre dominerende teknikker som tar sikte på å gi SiC-enkeltkrystall med høy kvalitet og effektivitet: væskefaseepitaksi (LPE), fysisk damptransport (PVT) og høytemperatur kjemisk dampavsetning (HTCVD). PVT er en veletablert prosess for å produsere SiC enkeltkrystall, som er mye brukt i store waferprodusenter.
Imidlertid er alle de tre prosessene i rask utvikling og nyskapende. Det er foreløpig ikke mulig å si hvilken prosess som vil bli bredt vedtatt i fremtiden. Spesielt høykvalitets SiC-enkrystall produsert ved oppløsningsvekst i en betydelig hastighet har blitt rapportert de siste årene, SiC-bulkvekst i væskefasen krever en lavere temperatur enn sublimerings- eller avsetningsprosessen, og den demonstrerer fortreffelighet i å produsere P -type SiC-substrater (tabell 3) [33, 34].
Fig. 3: Skjematisk av tre dominerende SiC enkeltkrystallvekstteknikker: (a) væskefaseepitaksi; (b) fysisk damptransport; (c) kjemisk dampavsetning ved høy temperatur
Tabell 3: Sammenligning av LPE, PVT og HTCVD for voksende SiC enkeltkrystaller [33, 34]
Løsningsvekst er en standardteknologi for fremstilling av sammensatte halvledere [36]. Siden 1960-tallet har forskere forsøkt å utvikle en krystall i løsning [37]. Når teknologien først er utviklet, kan overmetningen av vekstflaten kontrolleres godt, noe som gjør løsningsmetoden til en lovende teknologi for å oppnå høykvalitets enkrystallblokker.
For løsningsvekst av SiC-enkeltkrystall stammer Si-kilden fra svært ren Si-smelte, mens grafittdigelen tjener to formål: varmeapparat og C-kilde for oppløst stoff. SiC-enkeltkrystaller er mer sannsynlig å vokse under det ideelle støkiometriske forholdet når forholdet mellom C og Si er nær 1, noe som indikerer en lavere defekttetthet [28]. Ved atmosfærisk trykk viser imidlertid SiC ikke noe smeltepunkt og dekomponerer direkte via fordamping ved temperaturer over rundt 2000 °C. SiC smelter, i henhold til teoretiske forventninger, kan bare dannes under alvorlige sees fra Si-C binær fasediagram (fig. 4) som ved temperaturgradient og løsningssystem. Jo høyere C i Si-smelten varierer fra 1at.% til 13at.%. Den drivende C-overmetningen, desto raskere veksthastighet, mens lav C-kraft av veksten er C-overmetningen som er dominert trykk på 109 Pa og temperaturer over 3200 °C. Det kan overmetning gir en jevn overflate [22, 36-38]. temperaturer mellom 1400 og 2800 °C, løseligheten til C i Si-smelten varierer fra 1at.% til 13at.%. Drivkraften til veksten er C-overmetningen som er dominert av temperaturgradient og løsningssystem. Jo høyere C-overmetning, desto raskere veksthastighet, mens lav C-overmetning gir en jevn overflate [22, 36-38].
Fig. 4: Si-C binært fasediagram [40]
Doping av overgangsmetallelementer eller sjeldne jordelementer senker ikke bare effektivt veksttemperaturen, men ser ut til å være den eneste måten å drastisk forbedre karbonløseligheten i Si-smelten. Tilsetning av overgangsgruppemetaller, slik som Ti [8, 14-16, 19, 40-52], Cr [29, 30, 43, 50, 53-75], Co [63, 76], Fe [77- 80], etc. eller sjeldne jordmetaller, slik som Ce [81], Y [82], Sc, etc. til Si-smelten gjør at karbonløseligheten overskrider 50at.% i en tilstand nær termodynamisk likevekt. Dessuten er LPE-teknikk gunstig for P-type doping av SiC, som kan oppnås ved å legere Al inn i
løsningsmiddel [50, 53, 56, 59, 64, 71-73, 82, 83]. Imidlertid fører inkorporering av Al til en økning i resistiviteten til P-type SiC enkeltkrystaller [49, 56]. Bortsett fra N-type vekst under nitrogendoping,
løsningsvekst fortsetter generelt i en inert gassatmosfære. Selv om helium (He) er dyrere enn argon, er det foretrukket av mange forskere på grunn av dets lavere viskositet og høyere varmeledningsevne (8 ganger argon) [85]. Migrasjonshastigheten og Cr-innholdet i 4H-SiC er like under He- og Ar-atmosfære, det er bevist at vekst under Here resulterer i en høyere veksthastighet enn vekst underAr på grunn av den større varmespredningen til frøholderen [68]. Han hindrer dannelsen av hulrom inne i den vokste krystallen og spontan kjernedannelse i løsningen, og deretter kan en glatt overflatemorfologi oppnås [86].
Denne artikkelen introduserte utviklingen, applikasjonene og egenskapene til SiC-enheter, og de tre hovedmetodene for å dyrke SiC-enkeltkrystall. I de følgende avsnittene ble de nåværende løsningsvekstteknikkene og tilsvarende nøkkelparametere gjennomgått. Til slutt ble det foreslått et perspektiv som diskuterte utfordringene og fremtidige arbeid angående bulkveksten av SiC-enkeltkrystaller via løsningsmetode.
Innleggstid: Jul-01-2024