SiC結晶成長のための3つの主要な技術

図3に示すように、高品質かつ高効率なSiC単結晶を得ることを目的とした主要な技術は、液相エピタキシー（LPE）、物理気相輸送（PVT）、および高温化学気相成長法（HTCVD）の3つである。PVTはSiC単結晶を製造するための確立されたプロセスであり、主要なウェーハメーカーで広く使用されている。

しかし、これら3つのプロセスはすべて急速に進化し、革新を続けています。将来どのプロセスが広く採用されるかはまだ断言できません。特に近年、溶液成長法によって高品質のSiC単結晶がかなりの速度で製造されていることが報告されており、液相でのSiCバルク成長は昇華法や蒸着法よりも低い温度を必要とし、P型SiC基板の製造において優れた性能を発揮します（表3）[33, 34]。

図3：SiC単結晶成長における3つの主要な技術の概略図：（a）液相エピタキシー、（b）物理気相輸送法、（c）高温化学気相成長法

表3：SiC単結晶成長のためのLPE、PVT、HTCVDの比較[33、34]

溶液成長は化合物半導体を製造するための標準的な技術である[36]。1960年代以降、研究者たちは溶液中で結晶を開発しようと試みてきた[37]。この技術が開発されると、成長表面の過飽和度を適切に制御できるようになり、溶液法は高品質の単結晶インゴットを得るための有望な技術となる。

SiC単結晶の溶液成長では、Si源は高純度Si溶融物から得られ、グラファイトるつぼはヒーターとC溶質源の二重の役割を果たします。SiC単結晶は、CとSiの比率が1に近い場合、欠陥密度が低いことを示している理想的な化学量論比の下で成長する可能性が高くなります[28]。しかし、大気圧下では、SiCは融点を示さず、約2,000℃を超える温度で蒸発により直接分解します。理論的予測によると、SiC溶融物は、温度勾配と溶液系によってのみ形成されます。Si溶融物中のCが高いほど成長速度は速くなりますが、Cが低いほど成長の駆動力は、109 Paの圧力と3,200℃を超える温度で支配されるC過飽和です。 1,400～2,800℃の温度では、Si溶融物中のCの溶解度は1at.%から13at.%まで変化する。成長の駆動力は、温度勾配と溶液系によって支配されるCの過飽和度である。Cの過飽和度が高いほど成長速度は速くなるが、Cの過飽和度が低いと表面は滑らかになる[22, 36-38]。

図4：Si-C二元相図[40]

遷移金属元素または希土類元素をドーピングすると、成長温度を効果的に下げるだけでなく、Si溶融物中の炭素溶解度を劇的に向上させる唯一の方法となるようです。Ti [8, 14-16, 19, 40-52]、Cr [29, 30, 43, 50, 53-75]、Co [63, 76]、Fe [77-80]などの遷移金属、またはCe [81]、Y [82]、Scなどの希土類金属をSi溶融物に添加すると、熱力学的平衡に近い状態で炭素溶解度が50at.%を超えるようになります。さらに、LPE法はSiCのP型ドーピングに適しており、これはAlを合金化することで実現できます。
溶媒 [50, 53, 56, 59, 64, 71-73, 82, 83]。しかし、Al の導入により、P 型 SiC 単結晶の抵抗率が増加する [49, 56]。窒素ドーピングによる N 型成長とは別に、

溶液成長は一般的に不活性ガス雰囲気中で進行する。ヘリウム（He）はアルゴンよりも高価であるが、粘度が低く熱伝導率が高い（アルゴンの8倍）ため、多くの研究者に好まれている[85]。He雰囲気とAr雰囲気下での4H-SiCの移動速度とCr含有量は類似しているが、He雰囲気下での成長は、シードホルダーの放熱が大きいため、Ar雰囲気下での成長よりも高い成長速度をもたらすことが証明されている[68]。Heは成長した結晶内部の空隙形成と溶液中の自発的な核生成を阻害するため、滑らかな表面形態が得られる[86]。

本稿では、SiCデバイスの開発、応用、特性、およびSiC単結晶を成長させるための3つの主要な方法について紹介した。続くセクションでは、現在の溶液成長技術とそれに対応する主要パラメータについて概説した。最後に、溶液法によるSiC単結晶のバルク成長に関する課題と今後の展望について述べた。