Как показано на рис. 3, существует три доминирующих метода, направленных на обеспечение монокристалла SiC высокого качества и эффективности: жидкофазная эпитаксия (LPE), физический перенос паров (PVT) и высокотемпературное химическое осаждение из паровой фазы (HTCVD). PVT — это хорошо зарекомендовавший себя процесс производства монокристалла SiC, который широко используется крупными производителями пластин.
Однако все три процесса быстро развиваются и обновляются. Пока невозможно сказать, какой процесс получит широкое распространение в будущем. В частности, в последние годы сообщалось о высококачественном монокристалле SiC, полученном путем выращивания из раствора со значительной скоростью. Объемный рост SiC в жидкой фазе требует более низкой температуры, чем температура процесса сублимации или осаждения, и он демонстрирует превосходные результаты в производстве P Подложки SiC -типа (табл. 3) [33, 34].
Рис. 3: Схема трех доминирующих методов выращивания монокристаллов SiC: (а) жидкофазная эпитаксия; (б) физический перенос паров; (в) высокотемпературное химическое осаждение из паровой фазы
Таблица 3. Сравнение методов LPE, PVT и HTCVD для выращивания монокристаллов SiC [33, 34]
Рост раствора является стандартной технологией получения сложных полупроводников [36]. С 1960-х годов исследователи пытались создать кристалл в растворе [37]. После разработки технологии пересыщение ростовой поверхности можно хорошо контролировать, что делает метод растворения перспективной технологией получения высококачественных монокристаллических слитков.
Для выращивания монокристалла SiC в растворе источником Si является расплав кремния высокой чистоты, а графитовый тигель служит двум целям: нагреватель и источник растворенного углерода. Монокристаллы SiC с большей вероятностью будут расти при идеальном стехиометрическом соотношении, когда соотношение C и Si близко к 1, что указывает на более низкую плотность дефектов [28]. Однако при атмосферном давлении SiC не имеет точки плавления и разлагается непосредственно при температуре испарения, превышающей около 2000 °C. Расплавы SiC, согласно теоретическим ожиданиям, могут образовываться только при жестких условиях, как видно из бинарной фазовой диаграммы Si-C (рис. 4), при градиенте температуры и системе растворов. Более высокое содержание С в расплаве Si варьируется от 1 ат. % до 13 ат. %. Движущей силой пересыщения C является более высокая скорость роста, в то время как низкая сила роста C является пересыщением C, при котором преобладают давление 109 Па и температура выше 3200 ° C. При пересыщении получается гладкая поверхность [22, 36-38]. При температурах от 1400 до 2800 °С растворимость С в расплаве Si варьируется от 1 ат.% до 13 ат.%. Движущей силой роста является пересыщение C, в котором преобладают температурный градиент и система растворов. Чем выше пересыщение C, тем быстрее скорость роста, тогда как низкое пересыщение C обеспечивает гладкую поверхность [22, 36-38].
Рис. 4: Бинарная фазовая диаграмма Si-C [40]
Легирование элементами переходных металлов или редкоземельными элементами не только эффективно снижает температуру роста, но, по-видимому, является единственным способом радикально улучшить растворимость углерода в расплаве кремния. Добавление металлов переходной группы, таких как Ti [8, 14-16, 19, 40-52], Cr [29, 30, 43, 50, 53-75], Co [63, 76], Fe [77- 80] и др. или редкоземельных металлов, таких как Ce [81], Y [82], Sc и др., в расплав Si позволяет растворимость углерода превышать 50 ат.% в состоянии, близком к термодинамическому равновесию. Кроме того, метод ЖФЭ благоприятен для легирования SiC P-типа, чего можно добиться путем легирования Al в
растворитель [50, 53, 56, 59, 64, 71-73, 82, 83]. Однако введение Al приводит к увеличению удельного сопротивления монокристаллов SiC P-типа [49, 56]. Помимо роста N-типа при легировании азотом,
Рост раствора обычно протекает в атмосфере инертного газа. Хотя гелий (He) дороже аргона, многие ученые отдают ему предпочтение из-за его более низкой вязкости и более высокой теплопроводности (в 8 раз больше, чем у аргона) [85]. Скорость миграции и содержание Cr в 4H-SiC аналогичны в атмосфере He и Ar. Доказано, что рост в атмосфере Her приводит к более высокой скорости роста, чем рост в атмосфере Ar, из-за большего тепловыделения держателя затравки [68]. Он препятствует образованию пустот внутри выращенного кристалла и спонтанному зародышеобразованию в растворе, благодаря чему можно получить гладкую морфологию поверхности [86].
В этом документе представлены разработка, применение и свойства устройств SiC, а также три основных метода выращивания монокристалла SiC. В следующих разделах были рассмотрены текущие методы выращивания решений и соответствующие ключевые параметры. Наконец, был предложен обзор, в котором обсуждались проблемы и будущие работы, касающиеся объемного роста монокристаллов SiC методом раствора.
Время публикации: 01 июля 2024 г.