Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 3, ada tiga teknik dominan yang bertujuan untuk menyediakan kristal tunggal SiC dengan kualitas dan efisiensi tinggi: epitaksi fase cair (LPE), pengangkutan uap fisik (PVT), dan pengendapan uap kimia suhu tinggi (HTCVD). PVT adalah proses yang mapan untuk memproduksi kristal tunggal SiC, yang banyak digunakan dalam produsen wafer besar.
Namun, ketiga proses tersebut berkembang pesat dan berinovasi. Belum mungkin untuk memastikan proses mana yang akan diadopsi secara luas di masa mendatang. Khususnya, kristal tunggal SiC berkualitas tinggi yang diproduksi melalui pertumbuhan larutan pada tingkat yang cukup tinggi telah dilaporkan dalam beberapa tahun terakhir, pertumbuhan massal SiC dalam fase cair memerlukan suhu yang lebih rendah daripada proses sublimasi atau pengendapan, dan hal ini menunjukkan keunggulan dalam memproduksi substrat SiC tipe-P (Tabel 3) [33, 34].
Gambar 3: Skema tiga teknik pertumbuhan kristal tunggal SiC yang dominan: (a) epitaksi fase cair; (b) transportasi 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 menyiapkan semikonduktor majemuk [36]. Sejak tahun 1960-an, para peneliti telah berupaya mengembangkan kristal dalam larutan [37]. Setelah teknologi ini dikembangkan, supersaturasi permukaan pertumbuhan dapat dikontrol dengan baik, yang menjadikan metode larutan sebagai teknologi yang menjanjikan untuk memperoleh ingot kristal tunggal berkualitas tinggi.
Untuk pertumbuhan larutan kristal tunggal SiC, sumber Si berasal dari lelehan Si yang sangat murni sementara wadah grafit memiliki dua tujuan: pemanas dan sumber zat terlarut C. Kristal tunggal SiC lebih mungkin tumbuh di bawah rasio stoikiometri ideal ketika rasio C dan Si mendekati 1, yang menunjukkan kerapatan cacat yang lebih rendah [28]. Namun, pada tekanan atmosfer, SiC tidak menunjukkan titik leleh dan terurai secara langsung melalui penguapan pada suhu yang melebihi sekitar 2.000 °C. Lelehan SiC, menurut ekspektasi teoritis, hanya dapat terbentuk di bawah gradien suhu dan sistem larutan yang parah. Semakin tinggi C dalam lelehan Si bervariasi dari 1at.% hingga 13at.%. Kekuatan pendorong supersaturasi C, semakin cepat laju pertumbuhan, sementara gaya pertumbuhan C yang rendah adalah supersaturasi C yang didominasi tekanan 109 Pa dan suhu di atas 3.200 °C. 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 1at.% hingga 13at.%. Kekuatan pendorong pertumbuhan adalah supersaturasi C yang didominasi oleh gradien suhu dan sistem larutan. Semakin tinggi supersaturasi C, semakin cepat laju pertumbuhannya, sedangkan supersaturasi C yang rendah menghasilkan permukaan yang halus [22, 36-38].
Gambar 4: Diagram fase biner Si-C [40]
Doping unsur logam transisi atau unsur tanah jarang tidak hanya secara efektif menurunkan suhu pertumbuhan tetapi tampaknya menjadi 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 lelehan Si memungkinkan kelarutan karbon melebihi 50at.% dalam keadaan yang mendekati kesetimbangan termodinamika. Selain itu, teknik LPE menguntungkan untuk doping tipe-P SiC, yang dapat dicapai dengan paduan Al ke dalam
pelarut [50, 53, 56, 59, 64, 71-73, 82, 83]. Namun, penambahan 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, helium lebih disukai oleh banyak ilmuwan karena viskositasnya yang lebih rendah dan konduktivitas termal yang lebih tinggi (8 kali lebih tinggi dari argon) [85]. Laju migrasi dan kandungan Cr dalam 4H-SiC serupa dalam atmosfer He dan Ar, terbukti bahwa pertumbuhan dalam He menghasilkan laju pertumbuhan yang lebih tinggi daripada pertumbuhan dalam Ar karena disipasi panas yang lebih besar dari tempat 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 perangkat SiC, serta tiga metode utama untuk menumbuhkan kristal tunggal SiC. Pada bagian berikut, teknik pertumbuhan larutan terkini dan parameter utama terkait ditinjau. Terakhir, diajukan prospek yang membahas tantangan dan pekerjaan mendatang terkait pertumbuhan massal kristal tunggal SiC melalui metode larutan.
Waktu posting: 01-Jul-2024