Jak je znázorněno na obr. 3, existují tři dominantní techniky, jejichž cílem je poskytnout monokrystal SiC s vysokou kvalitou a účinností: epitaxe v kapalné fázi (LPE), fyzikální transport par (PVT) a vysokoteplotní chemická depozice z plynné fáze (HTCVD). PVT je zavedený proces pro výrobu monokrystalů SiC, který je široce používán u hlavních výrobců destiček.
Všechny tři procesy se však rychle vyvíjejí a inovují. Zatím není možné předpovědět, který proces bude v budoucnu široce přijat. Zejména v posledních letech byly hlášeny vysoce kvalitní monokrystaly SiC vyrobené růstem v roztoku značnou rychlostí, objemový růst SiC v kapalné fázi vyžaduje nižší teplotu než sublimační nebo depoziční proces a demonstruje vynikající výsledky při výrobě substrátů SiC typu P (tabulka 3) [33, 34].
Obr. 3: Schéma tří dominantních technik růstu monokrystalů SiC: (a) epitaxe v kapalné fázi; (b) fyzikální transport par; (c) vysokoteplotní chemická depozice par
Tabulka 3: Porovnání LPE, PVT a HTCNVD pro pěstování monokrystalů SiC [33, 34]
Růst v roztoku je standardní technologií pro přípravu složených polovodičů [36]. Od 60. let 20. století se vědci pokoušejí vyvinout krystal v roztoku [37]. Jakmile je technologie vyvinuta, lze dobře kontrolovat přesycení růstového povrchu, což z metody v roztoku činí slibnou technologii pro získávání vysoce kvalitních monokrystalických ingotů.
Pro růst monokrystalů SiC v roztoku pochází zdroj Si z vysoce čisté taveniny Si, zatímco grafitový kelímek slouží dvojímu účelu: ohřívač a zdroj rozpuštěné látky C. Monokrystaly SiC s větší pravděpodobností rostou za ideálního stechiometrického poměru, když je poměr C a Si blízký 1, což naznačuje nižší hustotu defektů [28]. Za atmosférického tlaku však SiC nevykazuje žádný bod tání a rozkládá se přímo odpařováním při teplotách přesahujících 2 000 °C. Taveniny SiC se podle teoretických očekávání mohou tvořit pouze za silných teplot, jak je patrné z binárního fázového diagramu Si-C (obr. 4), v závislosti na teplotním gradientu a systému roztoku. Čím vyšší je C v tavenině Si, tím rychlejší je rychlost růstu, zatímco nízká hodnota C je hnací silou růstu přesycení C, které dominuje tlak 109 Pa a teploty nad 3 200 °C. Přesycení může vytvořit hladký povrch [22, 36-38]. Při teplotách mezi 1 400 a 2 800 °C se rozpustnost C v tavenině Si pohybuje od 1 at.% do 13 at.%. Hnací silou růstu je přesycení C, které je dominantně ovlivněno teplotním gradientem a systémem roztoku. Čím vyšší je přesycení C, tím rychlejší je rychlost růstu, zatímco nízké přesycení C vytváří hladký povrch [22, 36-38].
Obr. 4: Binární fázový diagram Si-C [40]
Dopování přechodnými kovy nebo prvky vzácných zemin nejen účinně snižuje teplotu růstu, ale zdá se, že je jediným způsobem, jak drasticky zlepšit rozpustnost uhlíku v tavenině Si. Přidání kovů přechodné skupiny, jako je Ti [8, 14-16, 19, 40-52], Cr [29, 30, 43, 50, 53-75], Co [63, 76], Fe [77-80] atd., nebo kovů vzácných zemin, jako je Ce [81], Y [82], Sc atd., do taveniny Si umožňuje, aby rozpustnost uhlíku překročila 50 at. % ve stavu blízkém termodynamické rovnováze. Technika LPE je navíc výhodná pro dopování SiC typu P, čehož lze dosáhnout legováním Al do...
rozpouštědlo [50, 53, 56, 59, 64, 71-73, 82, 83]. Začlenění Al však vede ke zvýšení rezistivity monokrystalů SiC typu P [49, 56]. Kromě růstu typu N za dopování dusíkem,
Růst v roztoku obvykle probíhá v atmosféře inertního plynu. Přestože je hélium (He) dražší než argon, mnoho vědců ho upřednostňuje kvůli jeho nižší viskozitě a vyšší tepelné vodivosti (8krát vyšší než argon) [85]. Rychlost migrace a obsah Cr v 4H-SiC jsou podobné v atmosféře He a Ar, je prokázáno, že růst pod He vede k vyšší rychlosti růstu než růst pod Ar díky většímu odvodu tepla držákem semen [68]. He brání tvorbě dutin uvnitř rostoucího krystalu a spontánní nukleaci v roztoku, a lze tak dosáhnout hladké povrchové morfologie [86].
Tento článek představil vývoj, aplikace a vlastnosti SiC součástek a tři hlavní metody pěstování monokrystalů SiC. V následujících částech byly shrnuty současné techniky růstu v roztoku a odpovídající klíčové parametry. Nakonec byl navržen výhled, který se zabývá výzvami a budoucími pracemi týkajícími se objemového růstu monokrystalů SiC pomocí roztokové metody.
Čas zveřejnění: 1. července 2024