Όπως φαίνεται στο Σχήμα 3, υπάρχουν τρεις κυρίαρχες τεχνικές που στοχεύουν στην παροχή μονοκρυστάλλων SiC υψηλής ποιότητας και αποτελεσματικότητας: επιταξία υγρής φάσης (LPE), φυσική μεταφορά ατμών (PVT) και χημική εναπόθεση ατμών σε υψηλή θερμοκρασία (HTCVD). Η PVT είναι μια καθιερωμένη διαδικασία για την παραγωγή μονοκρυστάλλων SiC, η οποία χρησιμοποιείται ευρέως από τους μεγάλους κατασκευαστές πλακιδίων.
Ωστόσο, και οι τρεις διαδικασίες εξελίσσονται και καινοτομούν ραγδαία. Δεν είναι ακόμη δυνατό να προσδιοριστεί ποια διαδικασία θα υιοθετηθεί ευρέως στο μέλλον. Συγκεκριμένα, τα τελευταία χρόνια έχει αναφερθεί υψηλής ποιότητας μονοκρύσταλλος SiC που παράγεται με ανάπτυξη σε διάλυμα με σημαντικό ρυθμό, η μαζική ανάπτυξη SiC στην υγρή φάση απαιτεί χαμηλότερη θερμοκρασία από αυτή της διαδικασίας εξάχνωσης ή εναπόθεσης και επιδεικνύει εξαιρετική ποιότητα στην παραγωγή υποστρωμάτων SiC τύπου P (Πίνακας 3) [33, 34].
Σχήμα 3: Σχηματική απεικόνιση τριών κυρίαρχων τεχνικών ανάπτυξης μονοκρυστάλλων SiC: (α) επιταξία υγρής φάσης· (β) φυσική μεταφορά ατμών· (γ) χημική εναπόθεση ατμών σε υψηλή θερμοκρασία
Πίνακας 3: Σύγκριση LPE, PVT και HTCVD για την ανάπτυξη μονοκρυστάλλων SiC [33, 34]
Η ανάπτυξη σε διάλυμα είναι μια τυπική τεχνολογία για την παρασκευή σύνθετων ημιαγωγών [36]. Από τη δεκαετία του 1960, οι ερευνητές προσπαθούν να αναπτύξουν έναν κρύσταλλο σε διάλυμα [37]. Μόλις αναπτυχθεί η τεχνολογία, ο υπερκορεσμός της επιφάνειας ανάπτυξης μπορεί να ελεγχθεί καλά, γεγονός που καθιστά τη μέθοδο διαλύματος μια πολλά υποσχόμενη τεχνολογία για την απόκτηση υψηλής ποιότητας μονοκρυσταλλικών πλινθωμάτων.
Για την ανάπτυξη μονοκρυστάλλων SiC σε διάλυμα, η πηγή Si προέρχεται από τήγμα Si υψηλής καθαρότητας, ενώ το χωνευτήριο γραφίτη εξυπηρετεί διπλό σκοπό: θερμαντήρα και πηγή διαλυμένης ουσίας C. Οι μονοκρύσταλλοι SiC είναι πιο πιθανό να αναπτυχθούν υπό την ιδανική στοιχειομετρική αναλογία όταν η αναλογία C και Si είναι κοντά στο 1, υποδεικνύοντας χαμηλότερη πυκνότητα ελαττωμάτων [28]. Ωστόσο, σε ατμοσφαιρική πίεση, το SiC δεν εμφανίζει σημείο τήξης και αποσυντίθεται απευθείας μέσω εξάτμισης σε θερμοκρασίες που υπερβαίνουν τους 2.000 °C περίπου. Τα τήγματα SiC, σύμφωνα με τις θεωρητικές προσδοκίες, μπορούν να σχηματιστούν μόνο υπό σοβαρές συνθήκες, όπως φαίνεται από το δυαδικό διάγραμμα φάσεων Si-C (Εικ. 4) από την κλίση θερμοκρασίας και το σύστημα διαλύματος. Όσο υψηλότερο είναι το C στο τήγμα Si κυμαίνεται από 1 at.% έως 13 at.%. Όσο μεγαλύτερος είναι ο υπερκορεσμός C, τόσο ταχύτερος είναι ο ρυθμός ανάπτυξης, ενώ η χαμηλή δύναμη C της ανάπτυξης είναι ο υπερκορεσμός C που κυριαρχείται από πίεση 109 Pa και θερμοκρασίες άνω των 3.200 °C. Μπορεί ο υπερκορεσμός να παράγει μια λεία επιφάνεια [22, 36-38]. Σε θερμοκρασίες μεταξύ 1.400 και 2.800 °C, η διαλυτότητα του C στο τήγμα Si κυμαίνεται από 1 at.% έως 13 at.%. Η κινητήρια δύναμη της ανάπτυξης είναι ο υπερκορεσμός C, ο οποίος κυριαρχείται από τη θερμοκρασιακή κλίση και το σύστημα διαλύματος. Όσο υψηλότερος είναι ο υπερκορεσμός C, τόσο ταχύτερος είναι ο ρυθμός ανάπτυξης, ενώ ο χαμηλός υπερκορεσμός C παράγει μια λεία επιφάνεια [22, 36-38].
Σχήμα 4: Δυαδικό διάγραμμα φάσης Si-C [40]
Η προσθήκη μεταλλικών στοιχείων μεταβατικών μετάλλων ή στοιχείων σπάνιων γαιών όχι μόνο μειώνει αποτελεσματικά τη θερμοκρασία ανάπτυξης, αλλά φαίνεται να είναι ο μόνος τρόπος για να βελτιωθεί δραστικά η διαλυτότητα του άνθρακα στο τήγμα Si. Η προσθήκη μετάλλων μεταβατικών ομάδων, όπως Ti [8, 14-16, 19, 40-52], Cr [29, 30, 43, 50, 53-75], Co [63, 76], Fe [77-80], κ.λπ. ή μετάλλων σπάνιων γαιών, όπως Ce [81], Y [82], Sc, κ.λπ. στο τήγμα Si επιτρέπει στη διαλυτότητα του άνθρακα να υπερβαίνει το 50% σε κατάσταση κοντά στη θερμοδυναμική ισορροπία. Επιπλέον, η τεχνική LPE είναι ευνοϊκή για την προσθήκη SiC τύπου Ρ, η οποία μπορεί να επιτευχθεί με την προσθήκη Al στο
διαλύτης [50, 53, 56, 59, 64, 71-73, 82, 83]. Ωστόσο, η ενσωμάτωση Al οδηγεί σε αύξηση της ειδικής αντίστασης των μονοκρυστάλλων SiC τύπου P [49, 56]. Εκτός από την ανάπτυξη τύπου N υπό πρόσμιξη αζώτου,
Η ανάπτυξη σε διάλυμα γενικά προχωρά σε ατμόσφαιρα αδρανούς αερίου. Αν και το ήλιο (He) είναι πιο ακριβό από το αργό, προτιμάται από πολλούς μελετητές λόγω του χαμηλότερου ιξώδους και της υψηλότερης θερμικής αγωγιμότητάς του (8 φορές το αργό) [85]. Ο ρυθμός μετανάστευσης και η περιεκτικότητα σε Cr στο 4H-SiC είναι παρόμοια σε ατμόσφαιρα He και Ar, έχει αποδειχθεί ότι η ανάπτυξη σε αυτό οδηγεί σε υψηλότερο ρυθμό ανάπτυξης από ό,τι σε Ar λόγω της μεγαλύτερης απαγωγής θερμότητας του υποδοχέα σπόρων [68]. Αυτό εμποδίζει τον σχηματισμό κενών μέσα στον αναπτυγμένο κρύσταλλο και την αυθόρμητη πυρήνωση στο διάλυμα, οπότε μπορεί να επιτευχθεί μια λεία μορφολογία επιφάνειας [86].
Αυτή η εργασία παρουσίασε την ανάπτυξη, τις εφαρμογές και τις ιδιότητες των συσκευών SiC, καθώς και τις τρεις κύριες μεθόδους για την ανάπτυξη μονοκρυστάλλων SiC. Στις επόμενες ενότητες, εξετάστηκαν οι τρέχουσες τεχνικές ανάπτυξης σε διάλυμα και οι αντίστοιχες βασικές παράμετροι. Τέλος, προτάθηκε μια προοπτική που συζήτησε τις προκλήσεις και τις μελλοντικές εργασίες σχετικά με την ανάπτυξη μονοκρυστάλλων SiC σε μορφή διαλύματος.
Ώρα δημοσίευσης: 01 Ιουλίου 2024