SiC क्रिस्टल विकास के लिए तीन प्रमुख तकनीकें

जैसा कि चित्र 3 में दिखाया गया है, SiC सिंगल क्रिस्टल को उच्च गुणवत्ता और दक्षता प्रदान करने के उद्देश्य से तीन प्रमुख तकनीकें हैं: लिक्विड फेज़ एपिटेक्सी (LPE), भौतिक वाष्प परिवहन (PVT), और उच्च तापमान रासायनिक वाष्प जमाव (HTCVD)। PVT SiC सिंगल क्रिस्टल के उत्पादन के लिए एक अच्छी तरह से स्थापित प्रक्रिया है, जिसका उपयोग प्रमुख वेफर निर्माताओं में व्यापक रूप से किया जाता है।

हालाँकि, तीनों प्रक्रियाएँ तेज़ी से विकसित और नवीन हो रही हैं। यह अभी तक अनुमान लगाना संभव नहीं है कि भविष्य में कौन सी प्रक्रिया व्यापक रूप से अपनाई जाएगी। विशेष रूप से, हाल के वर्षों में काफी दर पर घोल वृद्धि द्वारा उत्पादित उच्च गुणवत्ता वाले SiC एकल क्रिस्टल की रिपोर्ट की गई है, तरल चरण में SiC थोक वृद्धि के लिए ऊर्ध्वपातन या जमाव 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 विकास तकनीकों का आरेख: (ए) द्रव चरण एपिटैक्सी; (बी) भौतिक वाष्प परिवहन; (सी) उच्च तापमान रासायनिक वाष्प जमाव

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, वृद्धि सतह की अतिसंतृप्ति को अच्छी तरह से नियंत्रित किया जा सकता है, जो उच्च गुणवत्ता वाले एकल क्रिस्टल सिल्लियां प्राप्त करने के लिए विलयन विधि को एक आशाजनक तकनीक बनाता है।

SiC एकल क्रिस्टल के घोल के विकास के लिए, Si स्रोत अत्यधिक शुद्ध Si पिघल से निकलता है जबकि ग्रेफाइट क्रूसिबल दोहरे उद्देश्यों की पूर्ति करता है: हीटर और C विलेय स्रोत। SiC एकल क्रिस्टल आदर्श स्टोइकोमेट्रिक अनुपात के तहत बढ़ने की अधिक संभावना रखते हैं जब C और Si का अनुपात 1 के करीब होता है, जो कम दोष घनत्व का संकेत देता है [28]। हालांकि, वायुमंडलीय दबाव पर, SiC कोई गलनांक नहीं दिखाता है और लगभग 2,000 °C से अधिक तापमान पर वाष्पीकरण के माध्यम से सीधे विघटित हो जाता है। सैद्धांतिक अपेक्षाओं के अनुसार, SiC पिघल केवल गंभीर के तहत ही बन सकता है जैसा कि Si-C बाइनरी चरण आरेख (छवि 4) से देखा जा सकता है यह अतिसंतृप्ति एक चिकनी सतह का उत्पादन कर सकता है [22, 36-38]। 1,400 और 2,800 °C के बीच के तापमान पर, Si पिघल में C की घुलनशीलता 1at.% से 13at.% तक भिन्न होती है। वृद्धि की प्रेरक शक्ति C अतिसंतृप्ति है जो तापमान ढाल और समाधान प्रणाली द्वारा हावी है। C अतिसंतृप्ति जितनी अधिक होगी, विकास दर उतनी ही तेज़ होगी, जबकि कम C अतिसंतृप्ति एक चिकनी सतह का उत्पादन करती है [22, 36-38]।

चित्र 4: Si-C बाइनरी चरण आरेख [40]

संक्रमण धातु तत्वों या दुर्लभ-पृथ्वी तत्वों को डोपिंग करने से न केवल वृद्धि तापमान कम होता है बल्कि Si पिघल में कार्बन घुलनशीलता में भारी सुधार करने का एकमात्र तरीका प्रतीत होता है। संक्रमण समूह धातुओं, जैसे कि 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 कि Ce [81], Y [82], Sc, आदि को Si पिघल में जोड़ने से कार्बन घुलनशीलता 50at.% से अधिक हो जाती है, जो थर्मोडायनामिक संतुलन के करीब की स्थिति में होती है। इसके अलावा, LPE तकनीक SiC के P-प्रकार 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,

समाधान वृद्धि आम तौर पर एक निष्क्रिय गैस वातावरण में होती है। यद्यपि हीलियम (He) आर्गन की तुलना में अधिक महंगा है, लेकिन इसकी कम चिपचिपाहट और उच्च तापीय चालकता (आर्गन से 8 गुना) के कारण कई विद्वानों द्वारा इसका समर्थन किया जाता है [85]। 4H-SiC में प्रवास दर और Cr सामग्री He और Ar वातावरण के तहत समान हैं, यह साबित होता है कि He के तहत वृद्धि Ar के तहत वृद्धि की तुलना में उच्च वृद्धि दर में परिणाम देती है, क्योंकि बीज धारक का बड़ा ताप अपव्यय होता है [68]। He विकसित क्रिस्टल के अंदर रिक्तियों के गठन और समाधान में सहज न्यूक्लियेशन को बाधित करता है, फिर, एक चिकनी सतह आकृति विज्ञान प्राप्त किया जा सकता है [86]।

इस पेपर में SiC उपकरणों के विकास, अनुप्रयोगों और गुणों तथा SiC एकल क्रिस्टल को विकसित करने के तीन मुख्य तरीकों का परिचय दिया गया है। निम्नलिखित अनुभागों में, वर्तमान समाधान वृद्धि तकनीकों और संबंधित प्रमुख मापदंडों की समीक्षा की गई। अंत में, एक दृष्टिकोण प्रस्तावित किया गया जिसमें समाधान विधि के माध्यम से SiC एकल क्रिस्टल के थोक विकास के संबंध में चुनौतियों और भविष्य के कार्यों पर चर्चा की गई।