Kuten kuvassa 3 on esitetty, piikarbidi-yksittäiskiteiden valmistukseen korkealla laadulla ja tehokkuudella pyritään kolmella hallitsevalla tekniikalla: nestefaasiepitaksialla (LPE), fysikaalisella höyrykuljetuksella (PVT) ja korkean lämpötilan kemiallisella höyrypinnoituksella (HTCVD). PVT on vakiintunut menetelmä piikarbidi-yksittäiskiteiden valmistukseen, ja sitä käytetään laajalti suurimmissa kiekkovalmistajissa.
Kaikki kolme prosessia kehittyvät ja innovoivat kuitenkin nopeasti. Vielä ei ole mahdollista sanoa, mikä prosessi otetaan laajalti käyttöön tulevaisuudessa. Erityisesti viime vuosina on raportoitu korkealaatuisia piikarbidi-yksittäiskiteitä, joita on tuotettu liuoskasvatuksen avulla huomattavalla nopeudella. Piikarbidin massan kasvu nestefaasissa vaatii alhaisempaa lämpötilaa kuin sublimaatio- tai laskeutusprosessi, ja se osoittaa erinomaisuutta P-tyypin piikarbidi-substraattien tuotannossa (taulukko 3) [33, 34].
Kuva 3: Kaaviokuva kolmesta vallitsevasta piikarbidin yksittäiskiteiden kasvatustekniikasta: (a) nestefaasiepitaksi; (b) fysikaalinen höyrykuljetus; (c) korkean lämpötilan kemiallinen höyrypinnoitus
Taulukko 3: LPE:n, PVT:n ja HTCCVD:n vertailu SiC-yksittäiskiteiden kasvattamisessa [33, 34]
Liuoskasvatus on standarditekniikka yhdistepuolijohteiden valmistuksessa [36]. 1960-luvulta lähtien tutkijat ovat yrittäneet kehittää kiteen liuoksessa [37]. Kun teknologia on kehitetty, kasvupinnan ylikyllästymistä voidaan hallita hyvin, mikä tekee liuosmenetelmästä lupaavan teknologian korkealaatuisten yksittäiskideharkkojen saamiseksi.
SiC-yksittäiskiteiden liuoskasvussa Si-lähde on peräisin erittäin puhtaasta Si-sulasta, kun taas grafiittiupokkaalla on kaksi tarkoitusta: lämmitin ja hiililiuottimen lähde. SiC-yksittäiskiteet kasvavat todennäköisemmin ihanteellisessa stoikiometrisessä suhteessa, kun hiilien ja Si:n suhde on lähellä arvoa 1, mikä osoittaa pienempää vikatiheyttä [28]. Ilmakehän paineessa SiC:llä ei kuitenkaan ole sulamispistettä ja se hajoaa suoraan höyrystymällä yli noin 2 000 °C:n lämpötiloissa. SiC-sulat voivat teoreettisten odotusten mukaan muodostua vain voimakkaissa lämpötilagradientin ja liuosjärjestelmän muutoksissa, kuten Si-C-binäärisestä faasidiagrammista (kuva 4) nähdään. Mitä korkeampi hiilipitoisuus Si-sulassa on, sitä nopeampi on kasvunopeus. Mitä alhaisempi hiilipitoisuus, sitä voimakkaampi on kasvun voima, sitä hallitsee 109 Pa:n paine ja yli 3 200 °C:n lämpötilat. Ylikyllästyminen voi tuottaa sileän pinnan [22, 36-38]. Lämpötiloissa 1 400–2 800 °C:n välillä hiilen liukoisuus piisulaan vaihtelee 1 atomiprosentista 13 atomiprosenttiin. Kasvun liikkeellepaneva voima on hiilen ylikyllästyminen, jota hallitsevat lämpötilagradientti ja liuosjärjestelmä. Mitä korkeampi hiilen ylikyllästyminen on, sitä nopeampi on kasvunopeus, kun taas alhainen hiilen ylikyllästyminen tuottaa sileän pinnan [22, 36-38].
Kuva 4: Si-C-binäärinen faasidiagrammi [40]
Siirtymämetallien tai harvinaisten maametallien doping ei ainoastaan alenna tehokkaasti kasvulämpötilaa, vaan se näyttää olevan ainoa tapa parantaa merkittävästi hiilen liukoisuutta piisulaan. Siirtymäryhmämetallien, kuten Ti [8, 14-16, 19, 40-52], Cr [29, 30, 43, 50, 53-75], Co [63, 76], Fe [77-80] jne., tai harvinaisten maametallien, kuten Ce [81], Y [82], Sc jne., lisääminen piisulaan mahdollistaa hiilen liukoisuuden yli 50 atomiprosenttia lähellä termodynaamista tasapainoa olevassa tilassa. Lisäksi LPE-tekniikka on suotuisa piikarbidin P-tyyppiselle dopingille, joka voidaan saavuttaa seostamalla alumiinia piikarbidiin.
liuotin [50, 53, 56, 59, 64, 71-73, 82, 83]. Al:n lisääminen johtaa kuitenkin P-tyypin SiC-yksittäiskiteiden resistiivisyyden kasvuun [49, 56]. Typen seostuksen alaisena tapahtuvan N-tyypin kasvun lisäksi
Liuoksen kasvu tapahtuu yleensä inertissä kaasuatmosfäärissä. Vaikka helium (He) on kalliimpaa kuin argon, monet tutkijat suosivat sitä sen alhaisemman viskositeetin ja korkeamman lämmönjohtavuuden (8 kertaa argoniin verrattuna) vuoksi [85]. 4H-SiC:n migraationopeus ja Cr-pitoisuus ovat samankaltaisia He- ja Ar-atmosfäärissä, ja on osoitettu, että kasvu Heressä johtaa suurempaan kasvunopeuteen kuin Arissa siemenpidikkeen suuremman lämmönhukkamäärän vuoksi [68]. He estää tyhjien tilojen muodostumista kasvaneen kiteen sisällä ja spontaania ydintymistä liuoksessa, jolloin voidaan saada sileä pintamorfologia [86].
Tässä artikkelissa esiteltiin piikarbidilaitteiden kehitys, sovellukset ja ominaisuudet sekä kolme päämenetelmää piikarbidi-yksittäiskiteiden kasvattamiseen. Seuraavissa osioissa tarkasteltiin nykyisiä liuoskasvatustekniikoita ja vastaavia keskeisiä parametreja. Lopuksi esitettiin katsaus, jossa käsiteltiin piikarbidi-yksittäiskiteiden massakasvatuksen haasteita ja tulevaisuuden hankkeita liuosmenetelmällä.
Julkaisun aika: 01.07.2024