Kao što je prikazano na slici 3, postoje tri dominantne tehnike koje imaju za cilj osigurati monokristal SiC visoke kvalitete i učinkovitosti: epitaksija tekuće faze (LPE), fizički transport pare (PVT) i kemijsko taloženje pare na visokim temperaturama (HTCVD). PVT je dobro utvrđen proces za proizvodnju monokristala SiC, koji se široko koristi kod glavnih proizvođača pločica.
Međutim, sva tri procesa se brzo razvijaju i inoviraju. Još nije moguće predvidjeti koji će se proces široko primijeniti u budućnosti. Posebno je posljednjih godina zabilježen visokokvalitetni monokristal SiC proizveden rastom u otopini značajnom brzinom, rast SiC u rasutom stanju u tekućoj fazi zahtijeva nižu temperaturu od one kod sublimacije ili taloženja, a pokazuje izvrsnost u proizvodnji SiC supstrata P-tipa (Tablica 3) [33, 34].
Sl. 3: Shematski prikaz tri dominantne tehnike rasta monokristala SiC: (a) epitaksija tekuće faze; (b) fizički transport pare; (c) kemijsko taloženje pare na visokim temperaturama
Tablica 3: Usporedba LPE, PVT i HTCUVD za uzgoj monokristala SiC [33, 34]
Rast u otopini je standardna tehnologija za pripremu složenih poluvodiča [36]. Od 1960-ih istraživači su pokušavali razviti kristal u otopini [37]. Nakon što se tehnologija razvije, prezasićenost površine rasta može se dobro kontrolirati, što metodu u otopini čini obećavajućom tehnologijom za dobivanje visokokvalitetnih monokristalnih ingota.
Za rast monokristala SiC u otopini, izvor Si potječe od visoko čiste taline Si, dok grafitni lončić služi dvostrukoj svrsi: grijač i izvor otopljene tvari C. Monokristali SiC vjerojatnije će rasti pod idealnim stehiometrijskim omjerom kada je omjer C i Si blizu 1, što ukazuje na nižu gustoću defekata [28]. Međutim, pri atmosferskom tlaku, SiC ne pokazuje talište i izravno se raspada isparavanjem na temperaturama iznad 2000 °C. Taline SiC, prema teorijskim očekivanjima, mogu se formirati samo pod jakim utjecajem temperaturnog gradijenta i sustava otopine. Što je viši C u talini Si, varira od 1 at.% do 13 at.%. Pogonska prezasićenost C, to je brža stopa rasta, dok je sila rasta niža od C prezasićenost C kojom dominira tlak od 109 Pa i temperature iznad 3200 °C. Prezasićenost može stvoriti glatku površinu [22, 36-38]. Na temperaturama između 1400 i 2800 °C, topljivost C u talini Si varira od 1 at.% do 13 at.%. Pokretačka snaga rasta je prezasićenost C kojom dominiraju temperaturni gradijent i sustav otopine. Što je veća prezasićenost C, to je brža stopa rasta, dok niska prezasićenost C stvara glatku površinu [22, 36-38].
Sl. 4: Si-C binarni fazni dijagram [40]
Dopiranje prijelaznim metalima ili rijetkozemnim elementima ne samo da učinkovito snižava temperaturu rasta, već se čini i jedinim načinom za drastično poboljšanje topljivosti ugljika u talini Si. Dodavanje prijelaznih metala, kao što su Ti [8, 14-16, 19, 40-52], Cr [29, 30, 43, 50, 53-75], Co [63, 76], Fe [77-80] itd. ili rijetkozemnih metala, kao što su Ce [81], Y [82], Sc itd., u talinu Si omogućuje da topljivost ugljika premaši 50 at.% u stanju blizu termodinamičke ravnoteže. Štoviše, LPE tehnika je povoljna za P-tip dopiranja SiC, što se može postići legiranjem Al u
otapalo [50, 53, 56, 59, 64, 71-73, 82, 83]. Međutim, ugradnja Al dovodi do povećanja otpornosti monokristala SiC P-tipa [49, 56]. Osim rasta N-tipa pod dopiranjem dušikom,
Rast u otopini općenito se odvija u atmosferi inertnog plina. Iako je helij (He) skuplji od argona, mnogi ga znanstvenici preferiraju zbog niže viskoznosti i veće toplinske vodljivosti (8 puta veća od argona) [85]. Brzina migracije i sadržaj Cr u 4H-SiC slični su u atmosferi He i Ar, dokazano je da rast pod He rezultira većom stopom rasta nego rast pod Ar zbog većeg odvođenja topline držača sjemena [68]. He sprječava stvaranje šupljina unutar uzgojenog kristala i spontanu nukleaciju u otopini, te se stoga može dobiti glatka površinska morfologija [86].
U ovom radu predstavljen je razvoj, primjena i svojstva SiC uređaja te tri glavne metode za uzgoj SiC monokristala. U sljedećim odjeljcima pregledan je trenutni postupak rasta u otopini i odgovarajući ključni parametri. Konačno, predložen je pregled izazova i budućih radova u vezi s rastom SiC monokristala u masi metodom rasta u otopini.
Vrijeme objave: 01.07.2024.