Som vist i figur 3 er der tre dominerende teknikker, der sigter mod at levere SiC-enkeltkrystal med høj kvalitet og effektivitet: flydende faseepitaksi (LPE), fysisk damptransport (PVT) og højtemperaturkemisk dampaflejring (HTCVD). PVT er en veletableret proces til produktion af SiC-enkeltkrystal, som er meget anvendt hos store waferproducenter.
Alle tre processer er dog under hastig udvikling og innovation. Det er endnu ikke muligt at sige, hvilken proces der vil blive bredt anvendt i fremtiden. Især er der i de senere år rapporteret om SiC-enkeltkrystal af høj kvalitet produceret ved opløsningsvækst med en betydelig hastighed. SiC-bulkvækst i flydende fase kræver en lavere temperatur end sublimerings- eller aflejringsprocessen, og det demonstrerer fremragende resultater i produktionen af P-type SiC-substrater (Tabel 3) [33, 34].
Fig. 3: Skematisk oversigt over tre dominerende SiC-enkeltkrystalvækstteknikker: (a) flydende faseepitaksi; (b) fysisk damptransport; (c) kemisk dampaflejring ved høj temperatur
Tabel 3: Sammenligning af LPE, PVT og HTCVD til dyrkning af SiC-enkeltkrystaller [33, 34]
Opløsningsvækst er en standardteknologi til fremstilling af sammensatte halvledere [36]. Siden 1960'erne har forskere forsøgt at udvikle en krystal i opløsning [37]. Når teknologien er udviklet, kan overmætningen af vækstoverfladen kontrolleres godt, hvilket gør opløsningsmetoden til en lovende teknologi til at opnå enkeltkrystalbarrer af høj kvalitet.
Til opløsningsvækst af SiC-enkeltkrystaller stammer Si-kilden fra en meget ren Si-smelte, mens grafitdiglen tjener dobbelte formål: varmelegeme og C-opløst kilde. SiC-enkeltkrystaller er mere tilbøjelige til at vokse under det ideelle støkiometriske forhold, når forholdet mellem C og Si er tæt på 1, hvilket indikerer en lavere defektdensitet [28]. Ved atmosfærisk tryk viser SiC dog intet smeltepunkt og nedbrydes direkte via fordampning ved temperaturer, der overstiger omkring 2.000 °C. SiC-smelter kan ifølge teoretiske forventninger kun dannes under strenge forhold, hvilket ses ud fra Si-C binære fasediagram (fig. 4), afhængigt af temperaturgradienten og opløsningssystemet. Jo højere C i Si-smelten varierer fra 1 at.% til 13 at.%. Den drivende C-overmætning er, desto hurtigere er vækstraten, mens lav C-kraft i væksten er C-overmætningen, der domineres af et tryk på 109 Pa og temperaturer over 3.200 °C. Overmætning kan producere en glat overflade [22, 36-38]. Ved temperaturer mellem 1.400 og 2.800 °C varierer opløseligheden af C i Si-smelten fra 1 at.% til 13 at.%. Drivkraften bag væksten er C-overmætningen, som domineres af temperaturgradienten og opløsningssystemet. Jo højere C-overmætning, desto hurtigere er vækstraten, mens lav C-overmætning producerer en glat overflade [22, 36-38].
Fig. 4: Si-C binært fasediagram [40]
Dotering af overgangsmetaller eller sjældne jordarter sænker ikke kun effektivt væksttemperaturen, men synes også at være den eneste måde at forbedre kulstofopløseligheden drastisk i Si-smelten. Tilsætning af overgangsmetaller, såsom Ti [8, 14-16, 19, 40-52], Cr [29, 30, 43, 50, 53-75], Co [63, 76], Fe [77-80] osv. eller sjældne jordarter, såsom Ce [81], Y [82], Sc osv. til Si-smelten tillader kulstofopløseligheden at overstige 50 at.% i en tilstand tæt på termodynamisk ligevægt. Desuden er LPE-teknikken gunstig for P-type dotering af SiC, hvilket kan opnås ved at legere Al ind i
opløsningsmiddel [50, 53, 56, 59, 64, 71-73, 82, 83]. Inkorporeringen af Al fører imidlertid til en stigning i resistiviteten af P-type SiC-enkeltkrystaller [49, 56]. Udover N-type vækst under nitrogendoping,
Opløsningsvækst foregår generelt i en inert gasatmosfære. Selvom helium (He) er dyrere end argon, foretrækkes det af mange forskere på grund af dets lavere viskositet og højere varmeledningsevne (8 gange argon) [85]. Migrationshastigheden og Cr-indholdet i 4H-SiC er ens under He- og Ar-atmosfære, og det er bevist, at vækst under Here resulterer i en højere væksthastighed end vækst under Ar på grund af den større varmeafledning fra frøholderen [68]. He hæmmer dannelsen af hulrum inde i den dyrkede krystal og spontan kimdannelse i opløsningen, hvorved der kan opnås en glat overflademorfologi [86].
Denne artikel introducerede udviklingen, anvendelserne og egenskaberne af SiC-enheder samt de tre primære metoder til dyrkning af SiC-enkeltkrystaller. I de følgende afsnit blev de nuværende opløsningsvækstteknikker og tilsvarende nøgleparametre gennemgået. Endelig blev der foreslået et perspektiv, der diskuterede udfordringerne og det fremtidige arbejde vedrørende bulkvækst af SiC-enkeltkrystaller via opløsningsmetoden.
Opslagstidspunkt: 1. juli 2024