Amint a 3. ábrán látható, három domináns technika létezik, amelyek célja a SiC egykristályok kiváló minőségű és hatékony előállításának: a folyadékfázisú epitaxia (LPE), a fizikai gőztranszport (PVT) és a magas hőmérsékletű kémiai gőzfázisú leválasztás (HTCVD). A PVT egy jól bevált eljárás a SiC egykristályok előállítására, amelyet széles körben használnak a nagyobb ostyagyártóknál.
Mindhárom eljárás azonban gyorsan fejlődik és újul meg. Egyelőre nem lehet megjósolni, hogy melyik eljárás fog széles körben elterjedni a jövőben. Az elmúlt években különösen nagy sebességgel jelentettek oldatban történő növesztéssel előállított, kiváló minőségű SiC egykristályokat, a folyékony fázisban történő tömegnövekedés alacsonyabb hőmérsékletet igényel, mint a szublimációs vagy leválasztási eljárás, és kiválóan alkalmas P-típusú SiC szubsztrátok előállítására (3. táblázat) [33, 34].
3. ábra: Három domináns SiC egykristály növekedési technika vázlata: (a) folyadékfázisú epitaxia; (b) fizikai gőzszállítás; (c) magas hőmérsékletű kémiai gőzleválasztás
3. táblázat: Az LPE, PVT és HTCPVD összehasonlítása SiC egykristályok növesztésében [33, 34]
Az oldatban történő növesztés standard technológia az összetett félvezetők előállítására [36]. Az 1960-as évek óta a kutatók kísérleteket tesznek oldatban lévő kristályok fejlesztésére [37]. A technológia kifejlesztése után a növesztési felület túltelítettsége jól szabályozható, ami az oldatban történő növesztési módszert ígéretes technológiává teszi a kiváló minőségű egykristályos öntvények előállítására.
A SiC egykristályok oldatban történő növekedéséhez a Si forrása a nagy tisztaságú Si olvadék, míg a grafit tégely kettős célt szolgál: fűtőelemként és C oldott anyag forrásként. A SiC egykristályok nagyobb valószínűséggel növekednek az ideális sztöchiometrikus arány alatt, amikor a C és Si aránya közel 1-hez, ami alacsonyabb hibasűrűségre utal [28]. Légköri nyomáson azonban a SiC nem mutat olvadáspontot, és közvetlenül elpárologtatással bomlik körülbelül 2000 °C feletti hőmérsékleten. A SiC olvadékok az elméleti várakozások szerint csak súlyos hőmérsékleti gradiens és oldatrendszer hatására képződhetnek, amint azt a Si-C bináris fázisdiagram (4. ábra) is mutatja. Minél magasabb a Si olvadékban a C tartalma 1 at.% és 13 at.% között változik. A növekedés hajtóereje a C túltelítettség, annál gyorsabb a növekedési sebesség, míg az alacsony C erő a C túltelítettség, amelyet 109 Pa nyomás és 3200 °C feletti hőmérséklet ural. A túltelítettség sima felületet eredményezhet [22, 36-38]. 1400 és 2800 °C közötti hőmérsékleten a C oldhatósága a Si-olvadékban 1 at.% és 13 at.% között változik. A növekedés hajtóereje a C-túltelítettség, amelyet a hőmérsékleti gradiens és az oldatrendszer dominál. Minél nagyobb a C-túltelítettség, annál gyorsabb a növekedési sebesség, míg az alacsony C-túltelítettség sima felületet eredményez [22, 36-38].
4. ábra: Si-C bináris fázisdiagram [40]
Az átmenetifémek vagy ritkaföldfémek adalékolása nemcsak hatékonyan csökkenti a növekedési hőmérsékletet, hanem úgy tűnik, hogy ez az egyetlen módja a szén oldhatóságának drasztikus javítására a Si-olvadékban. Az átmeneticsoport-fémek, például Ti [8, 14-16, 19, 40-52], Cr [29, 30, 43, 50, 53-75], Co [63, 76], Fe [77-80] stb. vagy ritkaföldfémek, például Ce [81], Y [82], Sc stb. hozzáadása a Si-olvadékhoz lehetővé teszi, hogy a szén oldhatósága meghaladja az 50 at.%-ot a termodinamikai egyensúlyhoz közeli állapotban. Ezenkívül az LPE technika kedvező a SiC P-típusú adalékolásához, amely Al ötvözésével érhető el a Si-olvadékban.
oldószer [50, 53, 56, 59, 64, 71-73, 82, 83]. Az Al beépítése azonban a P-típusú SiC egykristályok ellenállásának növekedéséhez vezet [49, 56]. Az N-típusú növekedés nitrogénadalékolás alatt,
Az oldatnövekedés általában inert gázatmoszférában megy végbe. Bár a hélium (He) drágább, mint az argon, sok tudós előnyben részesíti alacsonyabb viszkozitása és magasabb hővezető képessége (8-szorosa az argonnak) miatt [85]. A 4H-SiC migrációs sebessége és Cr-tartalma hasonló He és Ar atmoszférában, bizonyított, hogy a He alatti növekedés nagyobb növekedési sebességet eredményez, mint az Ar alatti növekedés, a magtartó nagyobb hőelvezetése miatt [68]. A He megakadályozza az üregek kialakulását a megnövekedett kristályban és a spontán nukleációt az oldatban, így sima felületi morfológia érhető el [86].
Ez a tanulmány bemutatta a SiC-eszközök fejlesztését, alkalmazásait és tulajdonságait, valamint a SiC egykristályok növesztésének három fő módszerét. A következő szakaszokban áttekintettük a jelenlegi oldatos növesztési technikákat és a hozzájuk tartozó főbb paramétereket. Végül egy kitekintést javasoltunk, amely a SiC egykristályok oldatos módszerrel történő tömbi növesztésével kapcsolatos kihívásokat és jövőbeli munkákat tárgyalta.
Közzététel ideje: 2024. július 1.