Както е показано на Фиг. 3, съществуват три доминиращи техники, целящи да осигурят висококачествен и ефикасен SiC монокристал: течнофазна епитаксия (LPE), физически парообразуващ транспорт (PVT) и високотемпературно химическо отлагане от пари (HTCVD). PVT е добре установен процес за производство на SiC монокристал, който се използва широко от големите производители на пластини.
Въпреки това, и трите процеса се развиват бързо и се иновират. Все още не е възможно да се каже кой от тях ще бъде широко възприет в бъдеще. По-специално, през последните години се съобщава за висококачествен монокристал SiC, получен чрез растеж в разтвор със значителна скорост. Растежът на SiC в обем в течна фаза изисква по-ниска температура от тази на процеса на сублимация или отлагане и демонстрира отлични постижения в производството на P-тип SiC субстрати (Таблица 3) [33, 34].
Фиг. 3: Схематично представяне на три доминиращи техники за растеж на монокристали SiC: (а) течнофазна епитаксия; (б) физическо транспортиране на пари; (в) високотемпературно химическо отлагане на пари
Таблица 3: Сравнение на LPE, PVT и HTCNVD за отглеждане на монокристали SiC [33, 34]
Растежът в разтвор е стандартна технология за получаване на съставни полупроводници [36]. От 60-те години на миналия век изследователите се опитват да разработят кристал в разтвор [37]. След като технологията бъде разработена, пренасищането на повърхността за растеж може да бъде добре контролирано, което прави метода в разтвор обещаваща технология за получаване на висококачествени монокристални блокове.
За растеж на монокристал SiC в разтвор, източникът на Si произлиза от високочиста стопилка Si, докато графитният тигел служи за двойна цел: нагревател и източник на разтворено вещество въглерод (C). Монокристалите SiC е по-вероятно да растат при идеално стехиометрично съотношение, когато съотношението на C и Si е близко до 1, което показва по-ниска плътност на дефектите [28]. Въпреки това, при атмосферно налягане, SiC не показва точка на топене и се разлага директно чрез изпаряване при температури надвишаващи около 2000 °C. Стопилките SiC, според теоретичните очаквания, могат да се образуват само при силни условия, както се вижда от бинарната фазова диаграма Si-C (фиг. 4), в зависимост от температурния градиент и системата от разтвори. Колкото по-високо е C в стопилката Si, толкова по-бърза е скоростта на растеж, толкова по-бърза е скоростта на растеж, докато при ниско C силата на растежа е пренасищането с C, което е доминирано при налягане от 109 Pa и температури над 3200 °C. Пренасищането може да доведе до гладка повърхност [22, 36-38]. При температури между 1400 и 2800 °C, разтворимостта на C в силициевата стопилка варира от 1 ат.% до 13 ат.%. Движещата сила на растежа е пренасищането с C, което се определя от температурния градиент и системата от разтвори. Колкото по-високо е пренасищането с C, толкова по-бърз е темпът на растеж, докато ниското пренасищане с C води до гладка повърхност [22, 36-38].
Фиг. 4: Бинарна фазова диаграма на Si-C [40]
Легирането с преходни метални елементи или редкоземни елементи не само ефективно понижава температурата на растеж, но изглежда е единственият начин за драстично подобряване на разтворимостта на въглерода в силициевата стопилка. Добавянето на метали от преходната група, като Ti [8, 14-16, 19, 40-52], Cr [29, 30, 43, 50, 53-75], Co [63, 76], Fe [77-80] и др., или редкоземни метали, като Ce [81], Y [82], Sc и др., към силициевата стопилка позволява разтворимостта на въглерода да надхвърли 50 ат.% в състояние, близко до термодинамично равновесие. Освен това, LPE техниката е благоприятна за P-тип легиране на SiC, което може да се постигне чрез легиране на Al в...
разтворител [50, 53, 56, 59, 64, 71-73, 82, 83]. Включването на Al обаче води до увеличаване на съпротивлението на монокристалите SiC от P-тип [49, 56]. Освен растежа от N-тип при азотно легиране,
Растежът в разтвор обикновено протича в атмосфера от инертен газ. Въпреки че хелият (He) е по-скъп от аргона, той е предпочитан от много учени поради по-ниския си вискозитет и по-високата топлопроводимост (8 пъти по-висока от аргона) [85]. Скоростта на миграция и съдържанието на Cr в 4H-SiC са сходни в атмосфера от He и Ar. Доказано е, че растежът под He води до по-висока скорост на растеж, отколкото растежът под Ar, поради по-голямото разсейване на топлината от държача на зародишите [68]. Той възпрепятства образуването на кухини вътре в отглеждания кристал и спонтанното зародишообразуване в разтвора, като по този начин може да се получи гладка повърхностна морфология [86].
Тази статия представи разработването, приложенията и свойствата на SiC устройствата, както и трите основни метода за отглеждане на SiC монокристали. В следващите раздели бяха разгледани съвременните техники за растеж в разтвор и съответните ключови параметри. Накрая беше предложена перспектива, която обсъжда предизвикателствата и бъдещите изследвания, свързани с обемния растеж на SiC монокристали чрез метода на разтвора.
Време на публикуване: 01 юли 2024 г.