Jak pokazano na rys. 3, dominują trzy techniki mające na celu zapewnienie monokryształu SiC o wysokiej jakości i wydajności: epitaksja w fazie ciekłej (LPE), fizyczny transport z fazy gazowej (PVT) i chemiczne osadzanie z fazy gazowej w wysokiej temperaturze (HTCVD). PVT to dobrze ugruntowany proces produkcji monokryształu SiC, który jest szeroko stosowany przez głównych producentów płytek.
Jednakże wszystkie trzy procesy szybko ewoluują i wprowadzają innowacje. Nie można jeszcze określić, który proces zostanie szeroko przyjęty w przyszłości. W szczególności w ostatnich latach donoszono o wysokiej jakości monokrysztale SiC wytwarzanym przez wzrost roztworu w znacznym tempie. Wzrost objętości SiC w fazie ciekłej wymaga niższej temperatury niż temperatura procesu sublimacji lub osadzania i wykazuje doskonałość w wytwarzaniu P -podłoża SiC (tab. 3) [33, 34].
Ryc. 3: Schemat trzech dominujących technik wzrostu monokryształów SiC: (a) epitaksja w fazie ciekłej; (b) fizyczny transport oparów; (c) chemiczne osadzanie z fazy gazowej w wysokiej temperaturze
Tabela 3: Porównanie LPE, PVT i HTCVD do hodowli monokryształów SiC [33, 34]
Wzrost roztworu jest standardową technologią wytwarzania złożonych półprzewodników [36]. Od lat 60. XX wieku badacze podejmowali próby opracowania kryształu w roztworze [37]. Po opracowaniu technologii można dobrze kontrolować przesycenie powierzchni wzrostu, co czyni tę metodę roztworową obiecującą technologią otrzymywania wysokiej jakości wlewków monokrystalicznych.
W przypadku wzrostu roztworów monokryształu SiC źródło Si pochodzi z bardzo czystego stopu Si, podczas gdy tygiel grafitowy służy dwóm celom: grzejnikowi i źródłu substancji rozpuszczonej C. Prawdopodobieństwo wzrostu monokryształów SiC jest większe w idealnym stosunku stechiometrycznym, gdy stosunek C i Si jest bliski 1, co wskazuje na niższą gęstość defektów [28]. Jednakże pod ciśnieniem atmosferycznym SiC nie wykazuje temperatury topnienia i rozkłada się bezpośrednio w temperaturach parowania przekraczających około 2000 °C. Stopiony SiC, zgodnie z oczekiwaniami teoretycznymi, może powstać jedynie w trudnych warunkach, co widać z binarnego diagramu fazowego Si-C (ryc. 4), czyli pod wpływem gradientu temperatury i układu roztworu. Im wyższa zawartość C w stopionym Si, waha się od 1% at. do 13% at. Przesycenie napędzające C, tym szybsze tempo wzrostu, podczas gdy niską siłą wzrostu C jest przesycenie C, w którym dominuje ciśnienie 109 Pa i temperatury powyżej 3200 ° C. Może przesycić, tworząc gładką powierzchnię [22, 36-38]. W temperaturach od 1400 do 2800 °C rozpuszczalność C w stopionym krzemie waha się od 1% at. do 13% at. Siłą napędową wzrostu jest przesycenie C, w którym dominuje gradient temperatury i układ roztworów. Im wyższe przesycenie C, tym szybsze tempo wzrostu, natomiast niskie przesycenie C daje gładką powierzchnię [22, 36-38].
Rys. 4: Binarny diagram fazowy Si-C [40]
Domieszkowanie pierwiastków metali przejściowych lub pierwiastków ziem rzadkich nie tylko skutecznie obniża temperaturę wzrostu, ale wydaje się być jedynym sposobem na radykalne poprawienie rozpuszczalności węgla w stopionym krzemie. Dodatek metali z grup przejściowych, takich jak Ti [8, 14-16, 19, 40-52], Cr [29, 30, 43, 50, 53-75], Co [63, 76], Fe [77- 80] itp. lub metale ziem rzadkich, takie jak Ce [81], Y [82], Sc itp. do stopionego Si pozwalają na przekroczenie rozpuszczalności węgla 50% at. w stanie bliskim równowagi termodynamicznej. Co więcej, technika LPE jest korzystna dla domieszkowania SiC typu P, co można osiągnąć poprzez dodanie stopu Al do
rozpuszczalnik [50, 53, 56, 59, 64, 71-73, 82, 83]. Jednakże włączenie Al prowadzi do wzrostu rezystywności monokryształów SiC typu P [49, 56]. Oprócz wzrostu typu N pod domieszką azotu,
wzrost roztworu na ogół przebiega w atmosferze gazu obojętnego. Chociaż hel (He) jest droższy od argonu, jest on preferowany przez wielu badaczy ze względu na jego niższą lepkość i wyższą przewodność cieplną (8 razy większą od argonu) [85]. Szybkość migracji i zawartość Cr w 4H-SiC są podobne w atmosferze He i Ar. Udowodniono, że wzrost w atmosferze Here skutkuje wyższą szybkością wzrostu niż wzrost w atmosferze Ar ze względu na większe rozpraszanie ciepła w pojemniku na nasiona [68]. Utrudnia powstawanie pustek wewnątrz wyhodowanego kryształu i spontaniczne zarodkowanie w roztworze, dzięki czemu można uzyskać gładką morfologię powierzchni [86].
W artykule przedstawiono rozwój, zastosowania i właściwości urządzeń SiC oraz trzy główne metody hodowli monokryształu SiC. W kolejnych rozdziałach dokonano przeglądu aktualnych technik tworzenia rozwiązań i odpowiadających im kluczowych parametrów. Na koniec zaproponowano perspektywę, w której omówiono wyzwania i przyszłe prace dotyczące masowego wzrostu monokryształów SiC metodą roztworową.
Czas publikacji: 01 lipca 2024 r