Як показано на рис. 3, існують три домінуючі методи, спрямовані на отримання монокристалів SiC високої якості та ефективності: рідкофазна епітаксія (LPE), фізичний перенос парів (PVT) і високотемпературне хімічне осадження з парів (HTCVD). PVT — добре налагоджений процес виробництва монокристалів SiC, який широко використовується у великих виробниках пластин.
Проте всі три процеси швидко розвиваються та інноваційні. Поки що неможливо сказати, який процес буде широко поширений у майбутньому. Зокрема, в останні роки повідомлялося про високоякісні монокристали SiC, отримані шляхом росту розчину зі значною швидкістю, об’ємне зростання SiC у рідкій фазі вимагає нижчої температури, ніж у процесі сублімації або осадження, і це демонструє досконалість у виробництві P підкладки SiC (табл. 3) [33, 34].
Рис. 3: Схема трьох домінуючих методів вирощування монокристалів SiC: (a) рідкофазна епітаксія; (b) фізичний перенос пари; (c) високотемпературне хімічне осадження з парової фази
Таблиця 3: Порівняння LPE, PVT і HTCVD для вирощування монокристалів SiC [33, 34]
Вирощування розчину є стандартною технологією отримання складних напівпровідників [36]. З 1960-х років дослідники намагалися розробити кристал у розчині [37]. Після розробки технології можна добре контролювати перенасичення поверхні росту, що робить метод розчину перспективною технологією для отримання високоякісних монокристалічних зливків.
Для вирощування монокристалів SiC у розчині джерело Si походить із розплаву Si високої чистоти, тоді як графітовий тигель служить подвійним цілям: джерело нагрівача та джерело розчиненої речовини C. Монокристали SiC з більшою ймовірністю ростуть за ідеального стехіометричного співвідношення, коли співвідношення C і Si близько до 1, що вказує на меншу щільність дефектів [28]. Однак при атмосферному тиску SiC не має точки плавлення і розкладається безпосередньо через випаровування при температурах, що перевищують близько 2000 °C. Розплави SiC, згідно з теоретичними очікуваннями, можуть утворюватися лише за суворих умов, як видно з бінарної фазової діаграми Si-C (рис. 4), що при градієнті температури та системі розчину. Чим вище C у розплаві Si змінюється від 1 ат.% до 13 ат.%. Перенасичення C, що веде до перенасичення, тим швидша швидкість росту, тоді як сила росту з низьким C – це перенасичення C, яке домінує під тиском 109 Па та температурами вище 3200 °C. Це може перенасичення дає гладку поверхню [22, 36-38]. температурах між 1400 і 2800 °C, розчинність C в розплаві Si коливається від 1at.% до 13at.%. Рушійною силою зростання є перенасичення C, в якому переважають температурний градієнт і система розчину. Чим вище перенасичення С, тим швидше швидкість росту, тоді як низьке перенасичення С створює гладку поверхню [22, 36-38].
Рис. 4: Бінарна фазова діаграма Si-C [40]
Допування елементів перехідного металу або рідкоземельних елементів не тільки ефективно знижує температуру росту, але, здається, є єдиним способом різко покращити розчинність вуглецю в розплаві Si. Додавання металів перехідної групи, таких як Ti [8, 14-16, 19, 40-52], Cr [29, 30, 43, 50, 53-75], Co [63, 76], Fe [77- 80] тощо або рідкоземельні метали, такі як Ce [81], Y [82], Sc тощо, до розплаву Si дозволяє перевищити розчинність вуглецю 50ат.% у стані, близькому до термодинамічної рівноваги. Крім того, техніка LPE є сприятливою для легування SiC P-типу, що може бути досягнуто шляхом легування Al у
розчинник [50, 53, 56, 59, 64, 71-73, 82, 83]. Однак введення Al призводить до збільшення питомого опору монокристалів SiC P-типу [49, 56]. Крім росту N-типу при легуванні азотом,
зростання розчину зазвичай відбувається в атмосфері інертного газу. Хоча гелій (He) дорожчий за аргон, багато вчених віддають перевагу йому через його нижчу в’язкість і вищу теплопровідність (у 8 разів більше аргону) [85]. Швидкість міграції та вміст Cr у 4H-SiC подібні в атмосфері He та Ar, доведено, що ріст під Here призводить до вищої швидкості росту, ніж зростання під Ar внаслідок більшого розсіювання тепла тримача затравки [68]. Він перешкоджає утворенню пустот всередині вирощеного кристала та спонтанному зародженню в розчині, тоді можна отримати гладку морфологію поверхні [86].
У цій статті описано розробку, застосування та властивості пристроїв SiC, а також три основні методи вирощування монокристалів SiC. У наступних розділах було розглянуто поточні методи росту рішення та відповідні ключові параметри. Нарешті, було запропоновано перспективу, яка обговорювала проблеми та майбутні роботи щодо об’ємного вирощування монокристалів SiC методом розчину.
Час публікації: 01 липня 2024 р