כפי שמוצג באיור 3, ישנן שלוש טכניקות דומיננטיות שמטרתן לספק גביש יחיד SiC באיכות ויעילות גבוהות: אפיטקסיה של פאזה נוזלית (LPE), הובלת אדים פיזיקלית (PVT), ושיקוע אדים כימי בטמפרטורה גבוהה (HTCVD). PVT הוא תהליך מבוסס היטב לייצור גביש יחיד SiC, הנמצא בשימוש נרחב ביצרני ופלים גדולים.
עם זאת, שלושת התהליכים מתפתחים ומתחדשים במהירות. עדיין לא ניתן להעריך איזה תהליך יאומץ באופן נרחב בעתיד. בפרט, דווח בשנים האחרונות על גביש יחיד SiC איכותי המיוצר על ידי גידול בתמיסה בקצב ניכר, גידול בתפזורת SiC בשלב נוזלי דורש טמפרטורה נמוכה יותר מזו של תהליך הסובלימציה או השקיעה, והוא מדגים מצוינות בייצור מצעים מסוג P (טבלה 3) [33, 34].
איור 3: תרשים סכמטי של שלוש טכניקות דומיננטיות לגידול גבישי יחיד של SiC: (א) אפיטקסיה בפאזה נוזלית; (ב) הובלת אדים פיזיקלית; (ג) שקיעת אדים כימית בטמפרטורה גבוהה
טבלה 3: השוואה בין LPE, PVT ו-HTCVD לגידול גבישים יחידים של SiC [33, 34]
גידול בתמיסה הוא טכנולוגיה סטנדרטית להכנת מוליכים למחצה מורכבים [36]. מאז שנות ה-60, חוקרים ניסו לפתח גביש בתמיסה [37]. לאחר פיתוח הטכנולוגיה, ניתן לשלוט היטב ברוויה יתר של פני השטח של הגידול, מה שהופך את שיטת התמיסה לטכנולוגיה מבטיחה להשגת מטילי גביש יחיד באיכות גבוהה.
עבור גידול גביש יחיד SiC בתמיסה, מקור ה-Si נובע מהתכת Si טהורה ביותר, בעוד שכור היתוך הגרפיט משרת שתי מטרות: חימום ומקור מומס של C. גבישים יחידים של SiC נוטים יותר לגדול תחת יחס סטוכיומטרי אידיאלי כאשר היחס בין C ל-Si קרוב ל-1, דבר המצביע על צפיפות פגמים נמוכה יותר [28]. עם זאת, בלחץ אטמוספרי, SiC אינו מציג נקודת התכה ומתפרק ישירות באמצעות אידוי בטמפרטורות העולות על כ-2,000 מעלות צלזיוס. נתיכי SiC, על פי הציפיות התיאורטיות, יכולים להיווצר רק תחת טמפרטורה חמורה, כפי שניתן לראות מדיאגרמת הפאזה הבינארית Si-C (איור 4), על ידי גרדיאנט טמפרטורה ומערכת תמיסה. ככל ש-C גבוה יותר בהתכת Si משתנה בין 1% אטומי ל-13%. רווית-היתר של C המניעה, כך קצב הגידול מהיר יותר, בעוד שכוח C נמוך של הגידול הוא רווית-היתר של C הנשלטת על ידי לחץ של 109 פאסל וטמפרטורות מעל 3,200 מעלות צלזיוס. רוויון יתר יכול לייצר משטח חלק [22, 36-38]. בטמפרטורות שבין 1,400 ל-2,800 מעלות צלזיוס, המסיסות של C בסיליקון המותך משתנה בין 1% אטומי ל-13%. הכוח המניע של הצמיחה הוא רוויון היתר של C, הנשלט על ידי גרדיאנט הטמפרטורה ומערכת התמיסה. ככל שרוויון היתר של C גבוה יותר, כך קצב הצמיחה מהיר יותר, בעוד שרוויון יתר נמוך של C מייצר משטח חלק [22, 36-38].
איור 4: דיאגרמת פאזה בינארית של Si-C [40]
סימום של יסודות מתכות מעבר או יסודות אדמה נדירות לא רק מוריד ביעילות את טמפרטורת הגידול, אלא נראה גם כדרך היחידה לשפר באופן דרסטי את מסיסות הפחמן בהתכת ה-Si. הוספת מתכות מקבוצת המעבר, כגון Ti [8, 14-16, 19, 40-52], Cr [29, 30, 43, 50, 53-75], Co [63, 76], Fe [77-80] וכו' או מתכות אדמה נדירות, כגון Ce [81], Y [82], Sc וכו' להתכת ה-Si מאפשרת למסיסות הפחמן לעלות על 50% אטומי במצב קרוב לשיווי משקל תרמודינמי. יתר על כן, טכניקת LPE נוחה לסימום מסוג P של SiC, שניתן להשיג על ידי סגסוגת Al לתוך ה-...
ממס [50, 53, 56, 59, 64, 71-73, 82, 83]. עם זאת, שילוב אלומיניום מוביל לעלייה בהתנגדות של גבישים יחידים מסוג P SiC [49, 56]. מלבד גידול מסוג N תחת סימום חנקן,
גידול תמיסה מתרחש בדרך כלל באטמוספרה של גז אינרטי. למרות שהליום (He) יקר יותר מארגון, הוא מועדף על ידי חוקרים רבים בשל צמיגותו הנמוכה יותר ומוליכותו התרמית הגבוהה יותר (פי 8 מארגון) [85]. קצב הנדידה ותכולת ה-Cr ב-4H-SiC דומים באטמוספרות He ו-Ar, והוכח כי גידול תחת Here מביא לקצב גידול גבוה יותר מאשר גידול תחת Ar עקב פיזור חום גדול יותר של מחזיק הזרעים [68]. He מעכב את היווצרות החללים בתוך הגביש הגדל ואת ההתגרענות הספונטנית בתמיסה, ולכן ניתן להשיג מורפולוגיה של פני שטח חלקים [86].
מאמר זה הציג את הפיתוח, היישומים והמאפיינים של התקני SiC, ואת שלוש השיטות העיקריות לגידול גביש יחיד SiC. בסעיפים הבאים, נסקרו טכניקות גידול תמיסה הנוכחיות והפרמטרים המרכזיים התואמים. לבסוף, הוצעה תחזית הדנה באתגרים ובעבודות עתידיות בנוגע לגידול בכמות גדולה של גבישים יחידים SiC בשיטת תמיסה.
זמן פרסום: 1 ביולי 2024