Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 3, terdapat tiga teknik dominan yang bertujuan untuk menghasilkan kristal tunggal SiC dengan kualitas dan efisiensi tinggi: epitaksi fase cair (LPE), transpor uap fisik (PVT), dan deposisi uap kimia suhu tinggi (HTCVD). PVT adalah proses yang mapan untuk menghasilkan kristal tunggal SiC, yang banyak digunakan di produsen wafer utama.
Namun, ketiga proses tersebut berkembang dan berinovasi dengan pesat. Belum dapat dipastikan proses mana yang akan diadopsi secara luas di masa mendatang. Secara khusus, kristal tunggal SiC berkualitas tinggi yang dihasilkan melalui pertumbuhan larutan dengan laju yang cukup tinggi telah dilaporkan dalam beberapa tahun terakhir, pertumbuhan massal SiC dalam fase cair membutuhkan suhu yang lebih rendah daripada proses sublimasi atau deposisi, dan menunjukkan keunggulan dalam menghasilkan substrat SiC tipe P (Tabel 3) [33, 34].
Gambar 3: Skema tiga teknik pertumbuhan kristal tunggal SiC yang dominan: (a) epitaksi fase cair; (b) transpor uap fisik; (c) deposisi uap kimia suhu tinggi
Tabel 3: Perbandingan LPE, PVT dan HTCVD untuk menumbuhkan kristal tunggal SiC [33, 34]
Pertumbuhan larutan merupakan teknologi standar untuk pembuatan semikonduktor senyawa [36]. Sejak tahun 1960-an, para peneliti telah berupaya mengembangkan kristal dalam larutan [37]. Setelah teknologi dikembangkan, supersaturasi permukaan pertumbuhan dapat dikendalikan dengan baik, yang menjadikan metode larutan sebagai teknologi yang menjanjikan untuk mendapatkan ingot kristal tunggal berkualitas tinggi.
Untuk pertumbuhan kristal tunggal SiC dalam larutan, sumber Si berasal dari lelehan Si yang sangat murni sementara krusibel grafit memiliki dua fungsi: pemanas dan sumber zat terlarut C. Kristal tunggal SiC lebih mungkin tumbuh di bawah rasio stoikiometri ideal ketika rasio C dan Si mendekati 1, menunjukkan kerapatan cacat yang lebih rendah [28]. Namun, pada tekanan atmosfer, SiC tidak menunjukkan titik leleh dan terurai langsung melalui penguapan pada suhu di atas sekitar 2.000 °C. Lelehan SiC, menurut harapan teoritis, hanya dapat terbentuk di bawah gradien suhu dan sistem larutan yang parah. Semakin tinggi supersaturasi C, semakin cepat laju pertumbuhan, sedangkan gaya penggerak pertumbuhan adalah supersaturasi C yang mendominasi. Hal ini dapat dilihat dari diagram fase biner Si-C (Gambar 4) yang bervariasi dari 1 at.% hingga 13 at.%. Supersaturasi dapat menghasilkan permukaan yang halus [22, 36-38]. Pada suhu antara 1.400 dan 2.800 °C, kelarutan C dalam lelehan Si bervariasi dari 1 at.% hingga 13 at.%. Gaya penggerak pertumbuhan adalah supersaturasi C yang didominasi oleh gradien suhu dan sistem larutan. Semakin tinggi supersaturasi C, semakin cepat laju pertumbuhan, sedangkan supersaturasi C yang rendah menghasilkan permukaan yang halus [22, 36-38].
Gambar 4: Diagram fase biner Si-C [40]
Penambahan unsur logam transisi atau unsur tanah jarang tidak hanya secara efektif menurunkan suhu pertumbuhan tetapi tampaknya merupakan satu-satunya cara untuk secara drastis meningkatkan kelarutan karbon dalam lelehan Si. Penambahan logam golongan transisi, seperti Ti [8, 14-16, 19, 40-52], Cr [29, 30, 43, 50, 53-75], Co [63, 76], Fe [77-80], dll. atau logam tanah jarang, seperti Ce [81], Y [82], Sc, dll. ke dalam lelehan Si memungkinkan kelarutan karbon melebihi 50 at.% dalam keadaan mendekati kesetimbangan termodinamik. Selain itu, teknik LPE menguntungkan untuk doping tipe-P pada SiC, yang dapat dicapai dengan paduan Al ke dalam
pelarut [50, 53, 56, 59, 64, 71-73, 82, 83]. Namun, penggabungan Al menyebabkan peningkatan resistivitas kristal tunggal SiC tipe P [49, 56]. Selain pertumbuhan tipe N di bawah doping nitrogen,
Pertumbuhan larutan umumnya berlangsung dalam atmosfer gas inert. Meskipun helium (He) lebih mahal daripada argon, ia disukai oleh banyak peneliti karena viskositasnya yang lebih rendah dan konduktivitas termalnya yang lebih tinggi (8 kali argon) [85]. Laju migrasi dan kandungan Cr dalam 4H-SiC serupa di bawah atmosfer He dan Ar, terbukti bahwa pertumbuhan di bawah He menghasilkan laju pertumbuhan yang lebih tinggi daripada pertumbuhan di bawah Ar karena disipasi panas yang lebih besar dari pemegang benih [68]. He menghambat pembentukan rongga di dalam kristal yang tumbuh dan nukleasi spontan dalam larutan, sehingga morfologi permukaan yang halus dapat diperoleh [86].
Makalah ini memperkenalkan pengembangan, aplikasi, dan sifat-sifat perangkat SiC, serta tiga metode utama untuk menumbuhkan kristal tunggal SiC. Pada bagian selanjutnya, teknik pertumbuhan larutan terkini dan parameter kunci yang terkait ditinjau. Terakhir, sebuah tinjauan ke depan diajukan yang membahas tantangan dan pekerjaan masa depan terkait pertumbuhan massal kristal tunggal SiC melalui metode larutan.
Waktu posting: 01 Juli 2024