Wie in Abb. 3 dargestellt, gibt es drei gängige Verfahren zur Herstellung von SiC-Einkristallen mit hoher Qualität und Effizienz: Flüssigphasenepitaxie (LPE), physikalischer Dampftransport (PVT) und chemische Gasphasenabscheidung bei hohen Temperaturen (HTCVD). PVT ist ein etabliertes Verfahren zur Herstellung von SiC-Einkristallen und wird von großen Waferherstellern häufig eingesetzt.
Alle drei Verfahren entwickeln sich jedoch rasant weiter und werden ständig weiterentwickelt. Es lässt sich noch nicht vorhersagen, welches Verfahren sich in Zukunft durchsetzen wird. Insbesondere wurde in den letzten Jahren über die Herstellung hochwertiger SiC-Einkristalle durch Lösungswachstum mit hoher Geschwindigkeit berichtet. Das SiC-Massivwachstum in der Flüssigphase erfordert niedrigere Temperaturen als das Sublimations- oder Abscheidungsverfahren und eignet sich hervorragend zur Herstellung von p-Typ-SiC-Substraten (Tabelle 3) [33, 34].
Abb. 3: Schema der drei vorherrschenden Techniken zur Züchtung von SiC-Einkristallen: (a) Flüssigphasenepitaxie; (b) physikalischer Dampftransport; (c) chemische Gasphasenabscheidung bei hohen Temperaturen
Tabelle 3: Vergleich von LPE, PVT und HTCVD für die Züchtung von SiC-Einkristallen [33, 34]
Das Lösungswachstum ist eine Standardtechnologie zur Herstellung von Verbindungshalbleitern [36]. Seit den 1960er Jahren versuchen Forscher, Kristalle in Lösung zu entwickeln [37]. Sobald diese Technologie entwickelt ist, lässt sich die Übersättigung der Wachstumsoberfläche gut kontrollieren, was die Lösungsmethode zu einer vielversprechenden Technologie für die Herstellung hochwertiger Einkristallblöcke macht.
Beim Lösungswachstum von SiC-Einkristallen stammt die Si-Quelle aus einer hochreinen Si-Schmelze, während der Graphittiegel einem doppelten Zweck dient: als Heizgerät und als Quelle für gelösten C-Stoff. SiC-Einkristalle wachsen eher unter dem idealen stöchiometrischen Verhältnis, wenn das Verhältnis von C und Si nahe bei 1 liegt, was auf eine geringere Defektdichte hindeutet [28]. Bei atmosphärischem Druck hat SiC jedoch keinen Schmelzpunkt und zersetzt sich bei Temperaturen über etwa 2.000 °C direkt durch Verdampfung. SiC-Schmelzen können gemäß den theoretischen Erwartungen nur unter starkem Temperaturgradienten und Lösungssystem gebildet werden. Wie aus dem binären Si-C-Phasendiagramm (Abb. 4) ersichtlich, variiert der C-Gehalt in der Si-Schmelze zwischen 1 und 13 Atomprozent. Die treibende C-Übersättigung ist die treibende Kraft des Wachstums, während bei niedrigem Druck von 109 Pa und Temperaturen über 3.200 °C die C-Übersättigung dominiert wird. Durch Übersättigung kann eine glatte Oberfläche erzeugt werden [22, 36-38]. Bei Temperaturen zwischen 1.400 und 2.800 °C variiert die Löslichkeit von C in der Si-Schmelze zwischen 1 und 13 Atomprozent. Die treibende Kraft des Wachstums ist die C-Übersättigung, die vom Temperaturgradienten und dem Lösungssystem bestimmt wird. Je höher die C-Übersättigung, desto schneller die Wachstumsrate, während eine niedrige C-Übersättigung eine glatte Oberfläche erzeugt [22, 36-38].
Abb. 4: Si-C Binärphasendiagramm [40]
Die Dotierung mit Übergangsmetallen oder Seltenerdmetallen senkt nicht nur effektiv die Wachstumstemperatur, sondern scheint auch die einzige Möglichkeit zu sein, die Kohlenstofflöslichkeit in der Si-Schmelze drastisch zu verbessern. Die Zugabe von Übergangsmetallen wie Ti [8, 14-16, 19, 40-52], Cr [29, 30, 43, 50, 53-75], Co [63, 76], Fe [77-80] usw. oder Seltenerdmetallen wie Ce [81], Y [82], Sc usw. zur Si-Schmelze ermöglicht eine Kohlenstofflöslichkeit von über 50 Atomprozent in einem Zustand nahe dem thermodynamischen Gleichgewicht. Darüber hinaus eignet sich die LPE-Technik gut für die p-Typ-Dotierung von SiC, die durch Legieren von Al in die
Lösungsmittel [50, 53, 56, 59, 64, 71-73, 82, 83]. Der Einbau von Al führt jedoch zu einer Erhöhung des spezifischen Widerstands von P-Typ-SiC-Einkristallen [49, 56]. Abgesehen vom N-Typ-Wachstum unter Stickstoffdotierung,
Das Lösungswachstum erfolgt üblicherweise in einer Inertgasatmosphäre. Obwohl Helium (He) teurer als Argon ist, wird es von vielen Wissenschaftlern aufgrund seiner geringeren Viskosität und höheren Wärmeleitfähigkeit (achtmal höher als Argon) bevorzugt [85]. Die Migrationsrate und der Cr-Gehalt in 4H-SiC sind unter He- und Argonatmosphäre ähnlich. Es ist erwiesen, dass das Wachstum unter He aufgrund der höheren Wärmeableitung des Keimträgers eine höhere Wachstumsrate aufweist als unter Argon [68]. Helium verhindert die Bildung von Hohlräumen im gewachsenen Kristall und die spontane Keimbildung in der Lösung, wodurch eine glatte Oberflächenmorphologie erreicht wird [86].
Dieser Artikel stellte die Entwicklung, Anwendungen und Eigenschaften von SiC-Bauelementen sowie die drei wichtigsten Verfahren zur Züchtung von SiC-Einkristallen vor. In den folgenden Abschnitten wurden die aktuellen Lösungszüchtungstechniken und die entsprechenden Schlüsselparameter erläutert. Abschließend wurde ein Ausblick gegeben, der die Herausforderungen und zukünftigen Arbeiten im Zusammenhang mit der Massenzüchtung von SiC-Einkristallen mittels Lösungsverfahren erörterte.
Beitragszeit: 01.07.2024