Kot je prikazano na sliki 3, obstajajo tri prevladujoče tehnike, katerih namen je zagotoviti monokristal SiC z visoko kakovostjo in učinkovitostjo: tekočefazna epitaksija (LPE), fizični prenos hlapov (PVT) in visokotemperaturno kemično naparjanje (HTCVD). PVT je dobro uveljavljen postopek za proizvodnjo monokristala SiC, ki se pogosto uporablja pri večjih proizvajalcih rezin.
Vendar pa se vsi trije procesi hitro razvijajo in uvajajo inovacije. Ni še mogoče trditi, kateri postopek bo v prihodnosti široko sprejet. V zadnjih letih so zlasti poročali o visokokakovostnem monokristalu SiC, ki nastane z rastjo raztopine s precejšnjo hitrostjo, množična rast SiC v tekoči fazi zahteva nižjo temperaturo kot pri procesu sublimacije ali nanašanja, in dokazuje odličnost pri proizvodnji P substrati tipa SiC (tabela 3) [33, 34].
Slika 3: Shema treh prevladujočih tehnik rasti monokristala SiC: (a) epitaksija v tekoči fazi; (b) fizični prenos hlapov; (c) visokotemperaturno kemično naparjevanje
Tabela 3: Primerjava LPE, PVT in HTCVD za gojenje monokristalov SiC [33, 34]
Rast raztopine je standardna tehnologija za pripravo sestavljenih polprevodnikov [36]. Od leta 1960 so raziskovalci poskušali razviti kristal v raztopini [37]. Ko je tehnologija razvita, je mogoče dobro nadzorovati prenasičenost rastne površine, zaradi česar je metoda raztopine obetavna tehnologija za pridobivanje visokokakovostnih monokristalnih ingotov.
Za rast monokristala SiC v raztopini izvor Si izvira iz taline zelo čistega Si, medtem ko ima grafitni lonček dvojne namene: grelnik in vir C topljenca. Monokristali SiC bodo bolj verjetno rasli pod idealnim stehiometričnim razmerjem, ko je razmerje C in Si blizu 1, kar kaže na manjšo gostoto napak [28]. Vendar pri atmosferskem tlaku SiC ne kaže tališča in razpade neposredno pri temperaturah uparjanja, ki presegajo okoli 2000 °C. Taline SiC lahko v skladu s teoretičnimi pričakovanji nastanejo samo v hudih razmerah, kar je razvidno iz binarnega faznega diagrama Si-C (slika 4), ki je pri temperaturnem gradientu in sistemu raztopin. Višji C v talini Si se spreminja od 1at.% do 13at.%. Pogonska prenasičenost C pomeni hitrejšo stopnjo rasti, medtem ko je nizka sila rasti C prenasičenost C, ki jo prevladujejo tlak 109 Pa in temperature nad 3200 °C. Prenasičenje lahko povzroči gladko površino [22, 36-38]. Temperature med 1400 in 2800 °C, topnost C v talini Si variira od 1at.% do 13at.%. Gonilna sila rasti je prenasičenost s C, v kateri prevladujeta temperaturni gradient in sistem raztopine. Višja kot je prenasičenost s C, hitrejša je stopnja rasti, medtem ko nizka prenasičenost s C povzroči gladko površino [22, 36-38].
Slika 4: Binarni fazni diagram Si-C [40]
Dopiranje prehodnih kovinskih elementov ali elementov redkih zemelj ne le učinkovito zniža rastno temperaturo, ampak se zdi tudi edini način za drastično izboljšanje topnosti ogljika v talini Si. Dodatek kovin prehodne skupine, kot so Ti [8, 14-16, 19, 40-52], Cr [29, 30, 43, 50, 53-75], Co [63, 76], Fe [77- 80] itd. ali redkih zemeljskih kovin, kot so Ce [81], Y [82], Sc itd., v talino Si omogoča, da topnost ogljika preseže 50 at. % v stanju blizu termodinamičnega ravnovesja. Poleg tega je tehnika LPE ugodna za dopiranje SiC tipa P, kar je mogoče doseči z legiranjem Al v
topilo [50, 53, 56, 59, 64, 71-73, 82, 83]. Vendar pa vključitev Al vodi do povečanja upornosti monokristalov SiC tipa P [49, 56]. Poleg rasti tipa N pri dopiranju dušika,
rast raztopine običajno poteka v atmosferi inertnega plina. Čeprav je helij (He) dražji od argona, mu mnogi znanstveniki dajejo prednost zaradi njegove nižje viskoznosti in višje toplotne prevodnosti (8-krat večja od argona) [85]. Hitrost migracije in vsebnost Cr v 4H-SiC sta podobni v He in Ar atmosferi, dokazano je, da ima rast pod Tukaj višjo stopnjo rasti kot rast pod Ar zaradi večjega odvajanja toplote držala za seme [68]. On ovira nastajanje praznin znotraj gojenega kristala in spontano nukleacijo v raztopini, nato pa je mogoče doseči gladko površinsko morfologijo [86].
Ta dokument je predstavil razvoj, aplikacije in lastnosti naprav SiC ter tri glavne metode za gojenje monokristala SiC. V naslednjih razdelkih so bile pregledane trenutne tehnike rasti rešitve in ustrezni ključni parametri. Na koncu je bil predlagan pogled, ki je razpravljal o izzivih in prihodnjih delih v zvezi z množično rastjo monokristalov SiC z metodo raztopine.
Čas objave: 1. julij 2024