Cum'è mostratu in a Fig. 3, ci sò trè tecniche dominanti chì miranu à furnisce un monocristallu SiC di alta qualità è efficienza: epitaxia in fase liquida (LPE), trasportu fisicu di vapore (PVT) è deposizione chimica di vapore à alta temperatura (HTCVD). PVT hè un prucessu ben stabilitu per a pruduzzione di monocristalli SiC, chì hè largamente utilizatu in i principali pruduttori di wafer.
Tuttavia, tutti i trè prucessi sò in rapida evoluzione è innovazione. Ùn hè ancu pussibule di dì quale prucessu serà largamente aduttatu in u futuru. In particulare, sò stati signalati in l'ultimi anni monocristalli di SiC di alta qualità prudutti da a crescita in soluzione à un ritmu cunsiderabile, a crescita in massa di SiC in a fase liquida richiede una temperatura più bassa di quella di u prucessu di sublimazione o di deposizione, è dimostra eccellenza in a pruduzzione di substrati di SiC di tipu P (Tabella 3) [33, 34].
Fig. 3: Schema di trè tecniche dominanti di crescita di monocristalli di SiC: (a) epitaxia in fase liquida; (b) trasportu fisicu di vapore; (c) deposizione chimica di vapore à alta temperatura
Tavula 3: Paragone di LPE, PVT è HTCVD per a crescita di monocristalli di SiC [33, 34]
A crescita in suluzione hè una tecnulugia standard per a preparazione di semiconduttori cumposti [36]. Dapoi l'anni 1960, i circadori anu pruvatu à sviluppà un cristallu in suluzione [37]. Una volta chì a tecnulugia hè sviluppata, a supersaturazione di a superficia di crescita pò esse ben cuntrullata, ciò chì face di u metudu di suluzione una tecnulugia promettente per ottene lingotti di monocristalli di alta qualità.
Per a crescita in suluzione di monocristalli di SiC, a fonte di Si deriva da una fusione di Si altamente pura, mentre chì u crogiolu di grafite serve un duplice scopu: riscaldatore è fonte di solutu di C. I monocristalli di SiC sò più propensi à cresce sottu à u rapportu stechiometricu ideale quandu u rapportu di C è Si hè vicinu à 1, ciò chì indica una densità di difetti più bassa [28]. Tuttavia, à pressione atmosferica, SiC ùn mostra micca puntu di fusione è si decompone direttamente per vaporizazione à temperature superiori à circa 2.000 °C. E fusioni di SiC, secondu l'aspettative teoriche, ponu esse furmate solu sottu à pressioni severe, cum'è vistu da u diagramma di fase binaria Si-C (Fig. 4) chì à gradiente di temperatura è sistema di suluzione. Più altu hè u C in a fusione di Si varieghja da 1 at.% à 13 at.%. A supersaturazione di C chì guida a crescita, più veloce hè a velocità di crescita, mentre chì a bassa forza di C di a crescita hè a supersaturazione di C chì hè duminata da una pressione di 109 Pa è temperature superiori à 3.200 °C. A supersaturazione pò pruduce una superficia liscia [22, 36-38]. À temperature trà 1.400 è 2.800 °C, a solubilità di u C in a fusione di Si varieghja da 1 at.% à 13 at.%. A forza motrice di a crescita hè a supersaturazione di u C chì hè duminata da u gradiente di temperatura è da u sistema di suluzione. Più alta hè a supersaturazione di u C, più veloce hè u ritmu di crescita, mentre chì una bassa supersaturazione di u C pruduce una superficia liscia [22, 36-38].
Fig. 4: Diagramma di fase binaria Si-C [40]
U dopaggiu di elementi di metalli di transizione o elementi di terre rare ùn solu abbassa efficacemente a temperatura di crescita, ma pare esse l'unicu modu per migliurà drasticamente a solubilità di u carbone in u Si fusu. L'aghjunta di metalli di u gruppu di transizione, cum'è Ti [8, 14-16, 19, 40-52], Cr [29, 30, 43, 50, 53-75], Co [63, 76], Fe [77-80], ecc. o metalli di terre rare, cum'è Ce [81], Y [82], Sc, ecc. à u Si fusu permette à a solubilità di u carbone di superà u 50% at. in un statu vicinu à l'equilibriu termodinamicu. Inoltre, a tecnica LPE hè favurevule per u dopaggiu di tipu P di SiC, chì pò esse ottenutu alliendu Al in u
solvente [50, 53, 56, 59, 64, 71-73, 82, 83]. Tuttavia, l'incorporazione di Al porta à un aumentu di a resistività di i monocristalli di SiC di tipu P [49, 56]. Oltre à a crescita di tipu N sottu doping cù azotu,
A crescita di a suluzione si faci generalmente in una atmosfera di gas inerte. Ancu s'è l'eliu (He) hè più caru chè l'argon, hè favuritu da parechji studiosi per via di a so viscosità più bassa è di a so cunduttività termica più alta (8 volte quella di l'argon) [85]. A velocità di migrazione è u cuntenutu di Cr in 4H-SiC sò simili sottu à l'atmosfera di He è Ar, hè pruvatu chì a crescita sottu à Here risulta in una velocità di crescita più alta chè a crescita sottu à Ar per via di a più grande dissipazione di u calore di u supportu di i semi [68]. Impedisce a furmazione di vuoti in u cristallu cresciutu è a nucleazione spontanea in a suluzione, dunque, si pò ottene una morfologia di a superficia liscia [86].
Questu articulu hà introduttu u sviluppu, l'applicazioni è e proprietà di i dispositivi SiC, è i trè metudi principali per a crescita di monocristalli SiC. In e sezioni seguenti, sò state riviste e tecniche attuali di crescita in soluzione è i parametri chjave currispondenti. Infine, hè stata pruposta una prospettiva chì hà discuttu e sfide è i travagli futuri riguardu a crescita in massa di monocristalli SiC via u metudu di soluzione.
Data di publicazione: 01 lug 2024