Eins og sést á mynd 3 eru þrjár ríkjandi aðferðir sem miða að því að veita SiC einkristall með háum gæðum og skilvirkni: vökvafasaepitaxía (LPE), eðlisfræðileg gufuflutningur (PVT) og háhitaefnafræðileg gufuútfelling (HTCVD). PVT er vel þekkt ferli til að framleiða SiC einkristall, sem er mikið notað af helstu framleiðendum skífa.
Hins vegar eru öll þessi þrjú ferli í örri þróun og nýjungum. Það er ekki enn hægt að segja til um hvaða ferli verður almennt tekið upp í framtíðinni. Sérstaklega hefur verið greint frá hágæða SiC einkristalli sem framleiddur er með vaxtarhraða í lausn á töluverðum hraða á undanförnum árum. SiC magnvöxtur í fljótandi fasa krefst lægri hitastigs en við sublimation eða útfellingu og það sýnir framúrskarandi árangur í framleiðslu á P-gerð SiC undirlögum (Tafla 3) [33, 34].
Mynd 3: Skýringarmynd af þremur ríkjandi SiC einkristalla vaxtaraðferðum: (a) vökvafasa epitaxía; (b) eðlisfræðilegur gufuflutningur; (c) efnafræðileg gufuútfelling við háan hita
Tafla 3: Samanburður á LPE, PVT og HTCVD fyrir ræktun SiC einkristalla [33, 34]
Vaxt í lausn er staðlað tækni til að búa til efnasamsetta hálfleiðara [36]. Frá sjöunda áratugnum hafa vísindamenn reynt að þróa kristalla í lausn [37]. Þegar tæknin er þróuð er hægt að stjórna ofmettun vaxtaryfirborðsins vel, sem gerir lausnaraðferðina að efnilegri tækni til að fá hágæða einkristalla.
Fyrir lausnarvöxt SiC einkristalla kemur Si uppsprettan úr mjög hreinum Si bráðnum en grafítdeiglan þjónar tvíþættum tilgangi: hitari og C uppspretta uppleystra efna. SiC einkristallar eru líklegri til að vaxa við kjörhlutfall þegar hlutfall C og Si er nálægt 1, sem bendir til lægri gallaþéttleika [28]. Hins vegar, við andrúmsloftsþrýsting, sýnir SiC ekkert bræðslumark og brotnar niður beint með uppgufun við hitastig yfir 2.000 °C. Samkvæmt fræðilegum væntingum getur SiC bráðið aðeins myndast við mikla hitastigshalla og lausnarkerfi, eins og sést á Si-C tvíþætta fasaritinu (Mynd 4). Því hærra sem C í Si bráðnum er breytilegt frá 1at.% til 13at.%. Því meiri C yfirmettunin sem knýr áfram, því hraðari er vaxtarhraðinn, en lágur C kraftur vaxtarins er C yfirmettunin sem einkennist af þrýstingi upp á 109 Pa og hitastigi yfir 3.200 °C. Ofurmettun getur valdið sléttu yfirborði [22, 36-38]. Við hitastig á milli 1.400 og 2.800 °C er leysni C í Si-bræðingunni á bilinu 1 at.% til 13 at.%. Drifkraftur vaxtarins er C-ofurmettun sem einkennist af hitastigshalla og lausnarkerfi. Því hærri sem C-ofurmettunin er, því hraðari er vaxtarhraðinn, en lág C-ofurmettun veldur sléttu yfirborði [22, 36-38].
Mynd 4: Tvíþætt fasarit fyrir Si-C [40]
Að blanda frumefnum úr umskiptamálmum eða sjaldgæfum jarðmálmum lækkar ekki aðeins vaxtarhitastigið heldur virðist vera eina leiðin til að bæta kolefnisleysni verulega í Si-bráðinni. Með því að bæta við málmum úr umskiptamálmum, eins og Ti [8, 14-16, 19, 40-52], Cr [29, 30, 43, 50, 53-75], Co [63, 76], Fe [77-80] o.s.frv. eða sjaldgæfum jarðmálmum, eins og Ce [81], Y [82], Sc, o.s.frv., við Si-bráðina getur kolefnisleysni farið yfir 50 at.% í ástandi sem er nálægt varmafræðilegu jafnvægi. Ennfremur er LPE-tækni hagstæð fyrir P-gerð íblöndun á SiC, sem hægt er að ná með því að blanda Al saman við
leysiefni [50, 53, 56, 59, 64, 71-73, 82, 83]. Hins vegar leiðir innlimun Al til aukinnar viðnáms P-gerð SiC einkristalla [49, 56]. Auk N-gerð vaxtar undir niturdópun,
Vaxandi lausn fer almennt fram í andrúmslofti með óvirku gasi. Þótt helíum (He) sé dýrara en argon, þá er það vinsælt meðal margra fræðimanna vegna minni seigju og meiri varmaleiðni (8 sinnum meiri en argon) [85]. Flutningshraði og Cr-innihald í 4H-SiC eru svipuð í He- og Ar-andrúmslofti, og það hefur verið sannað að vöxtur undir Here leiðir til hærri vaxtarhraða en vaxtar undir Ar vegna meiri varmadreifingar frægeymisins [68]. He hindrar myndun holrúma inni í ræktuðum kristöllum og sjálfkrafa kjarnamyndun í lausninni, og því er hægt að fá slétt yfirborð [86].
Þessi grein kynnti þróun, notkun og eiginleika SiC-tækja og þrjár helstu aðferðir til að rækta SiC-einkristalla. Í eftirfarandi köflum var farið yfir núverandi lausnarvaxtartækni og samsvarandi lykilbreytur. Að lokum var lögð til horfur sem fjallaði um áskoranir og framtíðarstarf varðandi magnvöxt SiC-einkristalla með lausnaraðferð.
Birtingartími: 1. júlí 2024