Như được hiển thị trong Hình 3, có ba kỹ thuật chủ yếu nhằm cung cấp tinh thể đơn SiC với chất lượng và hiệu quả cao: epit Wax pha lỏng (LPE), vận chuyển hơi vật lý (PVT) và lắng đọng hơi hóa học ở nhiệt độ cao (HTCVD). PVT là một quy trình lâu đời để sản xuất tinh thể đơn SiC, được sử dụng rộng rãi trong các nhà sản xuất tấm bán dẫn lớn.
Tuy nhiên, cả ba quá trình này đều đang phát triển và đổi mới nhanh chóng. Vẫn chưa thể dự đoán quy trình nào sẽ được áp dụng rộng rãi trong tương lai. Đặc biệt, tinh thể đơn SiC chất lượng cao được tạo ra bởi sự tăng trưởng dung dịch với tốc độ đáng kể đã được báo cáo trong những năm gần đây, sự tăng trưởng số lượng lớn SiC trong pha lỏng đòi hỏi nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ của quá trình thăng hoa hoặc lắng đọng và nó thể hiện sự xuất sắc trong việc sản xuất P -loại chất nền SiC (Bảng 3) [33, 34].
Hình 3: Sơ đồ ba kỹ thuật tăng trưởng đơn tinh thể SiC chủ yếu: (a) epit Wax pha lỏng; (b) vận chuyển hơi vật lý; (c) lắng đọng hơi hóa học ở nhiệt độ cao
Bảng 3: So sánh LPE, PVT và HTCVD để phát triển các tinh thể đơn SiC [33, 34]
Tăng trưởng dung dịch là một công nghệ tiêu chuẩn để điều chế chất bán dẫn phức hợp [36]. Từ những năm 1960, các nhà nghiên cứu đã cố gắng phát triển tinh thể trong dung dịch [37]. Sau khi công nghệ được phát triển, độ quá bão hòa của bề mặt tăng trưởng có thể được kiểm soát tốt, điều này làm cho phương pháp giải pháp này trở thành một công nghệ đầy hứa hẹn để thu được các thỏi tinh thể đơn chất lượng cao.
Để phát triển dung dịch tinh thể đơn SiC, nguồn Si bắt nguồn từ sự tan chảy Si có độ tinh khiết cao trong khi nồi nấu bằng than chì phục vụ hai mục đích: bộ gia nhiệt và nguồn chất tan C. Các tinh thể đơn SiC có nhiều khả năng phát triển hơn theo tỷ lệ cân bằng hóa học lý tưởng khi tỷ lệ C và Si gần bằng 1, cho thấy mật độ khuyết tật thấp hơn [28]. Tuy nhiên, ở áp suất khí quyển, SiC không có điểm nóng chảy và phân hủy trực tiếp qua quá trình bay hơi ở nhiệt độ trên 2.000°C. SiC tan chảy, theo kỳ vọng về mặt lý thuyết, chỉ có thể được hình thành trong điều kiện khắc nghiệt có thể nhìn thấy từ sơ đồ pha nhị phân Si-C (Hình 4) theo độ dốc nhiệt độ và hệ thống dung dịch. Giá trị C trong Si tan chảy càng cao thì dao động từ 1at.% đến 13at.%. Quá trình siêu bão hòa C thúc đẩy, tốc độ tăng trưởng càng nhanh, trong khi lực tăng trưởng C thấp là quá bão hòa C bị chi phối bởi áp suất 109 Pa và nhiệt độ trên 3.200 ° C. Nó có thể quá bão hòa tạo ra một bề mặt nhẵn [22, 36-38]. nhiệt độ từ 1.400 đến 2.800 °C, độ hòa tan của C trong Si nóng chảy thay đổi từ 1at.% đến 13at.%. Động lực của sự tăng trưởng là sự siêu bão hòa C bị chi phối bởi hệ thống giải pháp và gradient nhiệt độ. Độ siêu bão hòa C càng cao thì tốc độ tăng trưởng càng nhanh, trong khi độ siêu bão hòa C thấp tạo ra bề mặt nhẵn [22, 36-38].
Hình 4: Sơ đồ pha nhị phân Si-C [40]
Các nguyên tố kim loại chuyển tiếp pha tạp hoặc các nguyên tố đất hiếm không chỉ làm giảm nhiệt độ tăng trưởng một cách hiệu quả mà dường như là cách duy nhất để cải thiện đáng kể khả năng hòa tan carbon trong tan chảy Si. Việc bổ sung các kim loại nhóm chuyển tiếp như Ti [8, 14-16, 19, 40-52], Cr [29, 30, 43, 50, 53-75], Co [63, 76], Fe [77- 80], v.v. hoặc các kim loại đất hiếm như Ce [81], Y [82], Sc, v.v. vào Si tan chảy cho phép độ hòa tan cacbon vượt quá 50at.% ở trạng thái gần cân bằng nhiệt động. Hơn nữa, kỹ thuật LPE thuận lợi cho việc pha tạp SiC loại P, có thể đạt được bằng cách hợp kim Al vào
dung môi [50, 53, 56, 59, 64, 71-73, 82, 83]. Tuy nhiên, sự kết hợp của Al dẫn đến sự gia tăng điện trở suất của các tinh thể đơn SiC loại P [49, 56]. Ngoài sự tăng trưởng loại N dưới sự pha tạp nitơ,
Sự phát triển của dung dịch thường diễn ra trong môi trường khí trơ. Mặc dù helium (He) đắt hơn argon nhưng nó được nhiều học giả ưa chuộng do độ nhớt thấp hơn và độ dẫn nhiệt cao hơn (gấp 8 lần argon) [85]. Tốc độ di chuyển và hàm lượng Cr trong 4H-SiC là tương tự nhau trong môi trường He và Ar, người ta đã chứng minh rằng sự tăng trưởng trong Heresults có tốc độ tăng trưởng cao hơn so với sự tăng trưởng trong Ar do sự tản nhiệt lớn hơn của vật giữ hạt [68]. Anh ta cản trở sự hình thành các lỗ rỗng bên trong tinh thể phát triển và tạo mầm tự phát trong dung dịch, sau đó có thể thu được hình thái bề mặt nhẵn [86].
Bài báo này giới thiệu sự phát triển, ứng dụng và tính chất của thiết bị SiC cũng như ba phương pháp chính để phát triển tinh thể đơn SiC. Trong các phần sau, chúng tôi sẽ xem xét các kỹ thuật phát triển giải pháp hiện tại và các tham số chính tương ứng. Cuối cùng, một triển vọng đã được đề xuất thảo luận về những thách thức và công việc trong tương lai liên quan đến sự phát triển số lượng lớn của các tinh thể đơn SiC thông qua phương pháp giải pháp.
Thời gian đăng: Jul-01-2024