Kao što je prikazano na Sl. 3, postoje tri dominantne tehnike koje imaju za cilj da obezbijede monokristal SiC visokog kvaliteta i efikasnosti: epitaksija tečne faze (LPE), fizički transport pare (PVT) i hemijsko taloženje pare na visokim temperaturama (HTCVD). PVT je dobro utvrđen proces za proizvodnju monokristala SiC, koji se široko koristi kod velikih proizvođača pločica.
Međutim, sva tri procesa se brzo razvijaju i inoviraju. Još uvijek nije moguće predvidjeti koji će se proces široko primjenjivati u budućnosti. Posebno je posljednjih godina zabilježen visokokvalitetni monokristal SiC proizveden rastom u rastvoru značajnom brzinom, rast SiC u masi u tečnoj fazi zahtijeva nižu temperaturu nego kod procesa sublimacije ili taloženja, i pokazuje izvrsnost u proizvodnji SiC supstrata P-tipa (Tabela 3) [33, 34].
Sl. 3: Shematski prikaz tri dominantne tehnike rasta monokristala SiC: (a) epitaksija u tečnoj fazi; (b) fizički transport pare; (c) hemijsko taloženje pare na visokim temperaturama
Tabela 3: Poređenje LPE, PVT i HTCNVD za uzgoj SiC monokristala [33, 34]
Rast u rastvoru je standardna tehnologija za pripremu složenih poluprovodnika [36]. Od 1960-ih, istraživači su pokušavali razviti kristal u rastvoru [37]. Nakon što se tehnologija razvije, prezasićenost površine rasta može se dobro kontrolirati, što metodu u rastvoru čini obećavajućom tehnologijom za dobijanje visokokvalitetnih monokristalnih ingota.
Za rast monokristala SiC u rastvoru, izvor Si potiče od visoko čiste rastopine Si, dok grafitni lončić služi za dvostruku namjenu: grijač i izvor rastvorene supstance C. Monokristali SiC imaju veću vjerovatnoću da rastu pod idealnim stehiometrijskim odnosom kada je odnos C i Si blizu 1, što ukazuje na nižu gustinu defekata [28]. Međutim, pri atmosferskom pritisku, SiC ne pokazuje tačku topljenja i raspada se direktno isparavanjem na temperaturama koje prelaze oko 2.000 °C. Rastop SiC, prema teorijskim očekivanjima, može se formirati samo pod jakim uticajem temperaturnog gradijenta i sistema rastvora, što se vidi iz binarnog faznog dijagrama Si-C (Slika 4). Što je viši C u rastopu Si, varira od 1 at.% do 13 at.%. Pogonska prezasićenost C, to je brža stopa rasta, dok je sila rasta niža od C prezasićenost C kojom dominira pritisak od 109 Pa i temperature iznad 3.200 °C. Prezasićenost može proizvesti glatku površinu [22, 36-38]. Na temperaturama između 1.400 i 2.800 °C, rastvorljivost C u rastopljenom Si varira od 1 at.% do 13 at.%. Pokretačka snaga rasta je prezasićenost C kojom dominiraju temperaturni gradijent i sistem rastvora. Što je veća prezasićenost C, to je brža stopa rasta, dok niska prezasićenost C proizvodi glatku površinu [22, 36-38].
Sl. 4: Si-C binarni fazni dijagram [40]
Dopiranje prelaznim metalima ili rijetkozemnim elementima ne samo da efikasno snižava temperaturu rasta, već se čini i jedinim načinom da se drastično poboljša rastvorljivost ugljika u rastopljenom Si. Dodavanje prelaznih metala, kao što su Ti [8, 14-16, 19, 40-52], Cr [29, 30, 43, 50, 53-75], Co [63, 76], Fe [77-80] itd. ili rijetkozemnih metala, kao što su Ce [81], Y [82], Sc itd., u rastopljeni Si omogućava da rastvorljivost ugljika premaši 50 at.% u stanju bliskom termodinamičkoj ravnoteži. Štaviše, LPE tehnika je povoljna za P-tip dopiranja SiC, što se može postići legiranjem Al u...
rastvarač [50, 53, 56, 59, 64, 71-73, 82, 83]. Međutim, ugradnja Al dovodi do povećanja otpornosti monokristala SiC P-tipa [49, 56]. Osim rasta N-tipa pod dopiranjem dušikom,
Rast u rastvoru se uglavnom odvija u atmosferi inertnog gasa. Iako je helijum (He) skuplji od argona, mnogi naučnici ga preferiraju zbog niže viskoznosti i veće toplotne provodljivosti (8 puta veća od argona) [85]. Brzina migracije i sadržaj Cr u 4H-SiC su slični u atmosferi He i Ar, dokazano je da rast pod He rezultira većom stopom rasta nego rast pod Ar zbog većeg rasipanja toplote držača sjemena [68]. He sprečava stvaranje šupljina unutar uzgojenog kristala i spontanu nukleaciju u rastvoru, te se tada može dobiti glatka površinska morfologija [86].
Ovaj rad je predstavio razvoj, primjenu i svojstva SiC uređaja, te tri glavne metode za uzgoj SiC monokristala. U sljedećim odjeljcima, pregledan je trenutni način rasta u rastvoru i odgovarajući ključni parametri. Konačno, predložen je pregled izazova i budućih radova u vezi s rastom SiC monokristala u masi putem metode rastvora.
Vrijeme objave: 01.07.2024.