Nagu joonisel 3 näidatud, on kolm domineerivat tehnikat, mille eesmärk on pakkuda SiC monokristalle kõrge kvaliteedi ja efektiivsusega: vedelfaasiepitaksia (LPE), füüsikaline aurutransport (PVT) ja kõrgtemperatuuriline keemiline aurustamine (HTCVD). PVT on hästi väljakujunenud protsess SiC monokristallide tootmiseks, mida kasutatakse laialdaselt suuremates kiibitootjates.
Siiski arenevad kõik kolm protsessi kiiresti ja uuenduslikult. Pole veel võimalik öelda, milline protsess tulevikus laialdaselt kasutusele võetakse. Viimastel aastatel on eriti teatatud kvaliteetsetest SiC monokristallidest, mis on toodetud lahuse kasvatamise teel märkimisväärse kiirusega, SiC mahu kasvatamine vedelas faasis nõuab madalamat temperatuuri kui sublimatsiooni- või sadestamisprotsess ning see näitab suurepäraseid tulemusi P-tüüpi SiC substraatide tootmisel (tabel 3) [33, 34].
Joonis 3: Kolme domineeriva SiC monokristalli kasvutehnika skeem: (a) vedelfaasi epitaksia; (b) füüsikaline aurutransport; (c) kõrgtemperatuurne keemiline aurustamine
Tabel 3: LPE, PVT ja HTCPVD võrdlus SiC monokristallide kasvatamisel [33, 34]
Lahuskasvatus on liitpooljuhtide valmistamise standardtehnoloogia [36]. Alates 1960. aastatest on teadlased püüdnud arendada kristalli lahuses [37]. Kui tehnoloogia on välja töötatud, saab kasvupinna üleküllastumist hästi kontrollida, mis teeb lahusmeetodist paljulubava tehnoloogia kvaliteetsete monokristallvaluplokkide saamiseks.
SiC monokristalli lahuse kasvuks pärineb Si allikas väga puhtast Si sulamist, samas kui grafiittiigel on kaks eesmärki: küttekeha ja C lahustunud aine allikas. SiC monokristallid kasvavad tõenäolisemalt ideaalse stöhhiomeetrilise suhte korral, kui C ja Si suhe on lähedane 1-le, mis näitab madalamat defektide tihedust [28]. Atmosfäärirõhul SiC-l aga sulamistemperatuuri ei ole ja see laguneb otse aurustumise teel temperatuuril üle umbes 2000 °C. SiC sulamid saavad teoreetiliste ootuste kohaselt moodustuda ainult tugevate temperatuurigradiendi ja lahuse süsteemi mõjul, nagu nähtub Si-C binaarsest faasidiagrammist (joonis 4). Mida kõrgem on C sisaldus Si sulas, seda kiirem on C üleküllastumine, seda kiirem on kasvukiirus, samas kui madala C kasvu jõuks on C üleküllastumine, mida domineerib rõhk 109 Pa ja temperatuur üle 3200 °C. Üleküllastumine võib tekitada sileda pinna [22, 36–38]. Temperatuuride vahemikus 1400–2800 °C varieerub süsiniku lahustuvus ränisulamis 1–13 aatomiprotsendi vahel. Kasvu liikumapanev jõud on süsiniku üleküllastumine, mida domineerivad temperatuurigradient ja lahuse süsteem. Mida suurem on süsiniku üleküllastumine, seda kiirem on kasvukiirus, samas kui madal süsiniku üleküllastumine tekitab sileda pinna [22, 36–38].
Joonis 4: Si-C binaarne faasidiagramm [40]
Siirdemetallide või haruldaste muldmetallide legeerimine mitte ainult ei alanda tõhusalt kasvutemperatuuri, vaid näib olevat ainus viis süsiniku lahustuvuse drastiliseks parandamiseks ränisulmis. Siirdemetallide, näiteks Ti [8, 14-16, 19, 40-52], Cr [29, 30, 43, 50, 53-75], Co [63, 76], Fe [77-80] jne või haruldaste muldmetallide, näiteks Ce [81], Y [82], Sc jne, lisamine ränisulmisse võimaldab süsiniku lahustuvusel ületada 50 aatomiprotsenti termodünaamilisele tasakaalule lähedases olekus. Lisaks on LPE-tehnika soodne ränikarbiidi P-tüüpi legeerimiseks, mida saab saavutada alumiiniumi legeerimisel ränikarbiidi sisse.
lahusti [50, 53, 56, 59, 64, 71-73, 82, 83]. Al lisamine aga suurendab P-tüüpi SiC monokristallide eritakistust [49, 56]. Lisaks N-tüüpi kasvule lämmastikuga legeerimisel,
Lahuse kasv toimub üldiselt inertgaasi atmosfääris. Kuigi heelium (He) on argoonist kallim, eelistavad paljud teadlased seda madalama viskoossuse ja kõrgema soojusjuhtivuse (8 korda argooni oma) tõttu [85]. 4H-SiC migratsioonikiirus ja Cr-sisaldus on He ja Ar atmosfääris sarnased, on tõestatud, et kasv He keskkonnas annab suurema kasvukiiruse kui kasv Ar keskkonnas tänu seemnehoidja suuremale soojuse hajumisele [68]. He takistab tühimike teket kasvanud kristallis ja spontaanset tuumastumist lahuses, seejärel on võimalik saada sile pinnamorfoloogia [86].
See artikkel tutvustas SiC-seadmete arendust, rakendusi ja omadusi ning kolme peamist meetodit SiC-monokristallide kasvatamiseks. Järgmistes osades vaadati üle praegused lahusekasvatuse tehnikad ja vastavad põhiparameetrid. Lõpuks pakuti välja ülevaade, milles käsitleti SiC-monokristallide lahusekasvatusega seotud väljakutseid ja tulevasi töid.
Postituse aeg: 01.07.2024