चित्र 3 में दर्शाए अनुसार, उच्च गुणवत्ता और दक्षता वाले SiC सिंगल क्रिस्टल प्रदान करने के उद्देश्य से तीन प्रमुख तकनीकें हैं: लिक्विड फेज एपिटैक्सी (LPE), फिजिकल वेपर ट्रांसपोर्ट (PVT) और हाई-टेम्परेचर केमिकल वेपर डिपोजिशन (HTCVD)। PVT, SiC सिंगल क्रिस्टल के उत्पादन की एक सुस्थापित प्रक्रिया है, जिसका व्यापक रूप से प्रमुख वेफर निर्माताओं द्वारा उपयोग किया जाता है।
हालाँकि, तीनों प्रक्रियाएँ तेजी से विकसित और नवोन्मेषी हो रही हैं। अभी यह कहना संभव नहीं है कि भविष्य में कौन सी प्रक्रिया व्यापक रूप से अपनाई जाएगी। विशेष रूप से, हाल के वर्षों में विलयन वृद्धि द्वारा उत्पादित उच्च गुणवत्ता वाले SiC एकल क्रिस्टल की उल्लेखनीय दर से रिपोर्ट की गई है, तरल अवस्था में SiC थोक वृद्धि के लिए उर्ध्वपातन या निक्षेपण प्रक्रिया की तुलना में कम तापमान की आवश्यकता होती है, और यह P-प्रकार SiC सब्सट्रेट (तालिका 3) [33, 34] के उत्पादन में उत्कृष्टता प्रदर्शित करता है।
चित्र 3: तीन प्रमुख SiC एकल क्रिस्टल वृद्धि तकनीकों का योजनाबद्ध आरेख: (a) तरल चरण एपिटैक्सी; (b) भौतिक वाष्प परिवहन; (c) उच्च तापमान रासायनिक वाष्प निक्षेपण
तालिका 3: SiC एकल क्रिस्टल उगाने के लिए LPE, PVT और HTCVD की तुलना [33, 34]
विलयन वृद्धि यौगिक अर्धचालकों को तैयार करने के लिए एक मानक तकनीक है [36]। 1960 के दशक से, शोधकर्ताओं ने विलयन में क्रिस्टल विकसित करने का प्रयास किया है [37]। एक बार तकनीक विकसित हो जाने के बाद, विकास सतह की अतिसंतृप्ति को अच्छी तरह से नियंत्रित किया जा सकता है, जो विलयन विधि को उच्च गुणवत्ता वाले एकल क्रिस्टल पिंड प्राप्त करने के लिए एक आशाजनक तकनीक बनाता है।
SiC एकल क्रिस्टल के विलयन वृद्धि के लिए, Si स्रोत अत्यधिक शुद्ध Si पिघल से प्राप्त होता है, जबकि ग्रेफाइट क्रूसिबल दोहरे उद्देश्यों की पूर्ति करता है: हीटर और C विलेय स्रोत। SiC एकल क्रिस्टल आदर्श स्टोइकोमेट्रिक अनुपात के तहत तब अधिक विकसित होते हैं जब C और Si का अनुपात 1 के करीब होता है, जो कम दोष घनत्व को दर्शाता है [28]। हालांकि, वायुमंडलीय दबाव पर, SiC का कोई गलनांक नहीं होता है और लगभग 2,000 °C से अधिक तापमान पर वाष्पीकरण द्वारा सीधे विघटित हो जाता है। सैद्धांतिक अपेक्षाओं के अनुसार, SiC पिघल केवल तापमान प्रवणता और विलयन प्रणाली द्वारा गंभीर परिस्थितियों में ही बन सकता है, जैसा कि Si-C द्विआधारी चरण आरेख (चित्र 4) से देखा जा सकता है। Si पिघल में C की मात्रा 1 परमाणु% से 13 परमाणु% तक भिन्न होती है। C अतिसंतृप्ति जितनी अधिक होती है, वृद्धि दर उतनी ही तेज होती है, जबकि कम C अतिसंतृप्ति ही वृद्धि की प्रमुख शक्ति होती है। 109 Pa के दबाव और 3,200 °C से ऊपर के तापमान पर वृद्धि दर अधिक होती है। अतिसंतृप्ति एक चिकनी सतह उत्पन्न करती है [22, 36-38]। 1,400 और 2,800 डिग्री सेल्सियस के बीच तापमान पर, Si पिघल में C की घुलनशीलता 1 परमाणु% से 13 परमाणु% तक भिन्न होती है। वृद्धि का प्रेरक बल C अतिसंतृप्ति है जो तापमान प्रवणता और विलयन प्रणाली द्वारा नियंत्रित होती है। C अतिसंतृप्ति जितनी अधिक होगी, वृद्धि दर उतनी ही तेज़ होगी, जबकि कम C अतिसंतृप्ति एक चिकनी सतह उत्पन्न करती है [22, 36-38]।
चित्र 4: Si-C द्विआधारी चरण आरेख [40]
संक्रमण धातु तत्वों या दुर्लभ-पृथ्वी तत्वों की डोपिंग न केवल वृद्धि तापमान को प्रभावी रूप से कम करती है, बल्कि Si पिघल में कार्बन की घुलनशीलता को काफी हद तक बढ़ाने का एकमात्र तरीका प्रतीत होता है। संक्रमण समूह धातुओं, जैसे Ti [8, 14-16, 19, 40-52], Cr [29, 30, 43, 50, 53-75], Co [63, 76], Fe [77-80], आदि या दुर्लभ पृथ्वी धातुओं, जैसे Ce [81], Y [82], Sc, आदि को Si पिघल में मिलाने से ऊष्मागतिकीय संतुलन के निकट कार्बन की घुलनशीलता 50 परमाणु प्रतिशत से अधिक हो जाती है। इसके अलावा, LPE तकनीक SiC की P-प्रकार की डोपिंग के लिए अनुकूल है, जिसे Al को मिश्रधातु में मिलाकर प्राप्त किया जा सकता है।
विलायक [50, 53, 56, 59, 64, 71-73, 82, 83]। हालाँकि, Al के समावेश से P-प्रकार SiC एकल क्रिस्टल की प्रतिरोधकता में वृद्धि होती है [49, 56]। नाइट्रोजन डोपिंग के तहत N-प्रकार की वृद्धि के अलावा,
विलयन वृद्धि सामान्यतः अक्रिय गैस वातावरण में होती है। यद्यपि हीलियम (He) आर्गन से अधिक महंगा है, फिर भी कई विद्वान इसकी कम श्यानता और उच्च तापीय चालकता (आर्गन से 8 गुना अधिक) के कारण इसे प्राथमिकता देते हैं [85]। 4H-SiC में प्रवासन दर और Cr सामग्री He और Ar वातावरण में समान होती है। यह सिद्ध हो चुका है कि He के अंतर्गत वृद्धि, Ar के अंतर्गत वृद्धि की तुलना में उच्च वृद्धि दर देती है, जिसका कारण सीड होल्डर का अधिक ऊष्मा अपव्यय है [68]। He विकसित क्रिस्टल के भीतर रिक्तियों के निर्माण और विलयन में स्वतःस्फूर्त नाभिकीयकरण को रोकता है, जिससे एक चिकनी सतह आकृति प्राप्त की जा सकती है [86]।
इस शोधपत्र में SiC उपकरणों के विकास, अनुप्रयोगों और गुणों के साथ-साथ SiC एकल क्रिस्टल के विकास की तीन मुख्य विधियों का परिचय दिया गया है। अगले अनुभागों में, वर्तमान विलयन विकास तकनीकों और उनसे संबंधित प्रमुख मापदंडों की समीक्षा की गई है। अंत में, विलयन विधि द्वारा SiC एकल क्रिस्टल के थोक विकास से संबंधित चुनौतियों और भविष्य के कार्यों पर चर्चा करते हुए एक दृष्टिकोण प्रस्तुत किया गया है।
पोस्ट करने का समय: 01 जुलाई 2024