Kaip parodyta 3 paveiksle, yra trys dominuojantys metodai, kuriais siekiama gauti aukštos kokybės ir efektyvumo SiC monokristalą: skystosios fazės epitaksija (LPE), fizikinis garų pernaša (PVT) ir cheminis garų nusodinimas aukštoje temperatūroje (HTCVD). PVT yra gerai žinomas SiC monokristalo gamybos procesas, plačiai naudojamas pagrindiniuose plokštelių gamintojuose.
Tačiau visi trys procesai sparčiai tobulėja ir yra inovatyvūs. Kol kas neįmanoma numatyti, kuris procesas bus plačiai pritaikytas ateityje. Visų pirma, pastaraisiais metais buvo pranešta apie aukštos kokybės SiC monokristalus, gautus dideliu greičiu auginant tirpale, SiC tūriniam augimui skystoje fazėje reikia žemesnės temperatūros nei sublimacijos ar nusodinimo procesui, ir tai puikiai tinka gaminant P tipo SiC substratus (3 lentelė) [33, 34].
3 pav.: Trijų dominuojančių SiC monokristalų auginimo metodų schema: (a) skystosios fazės epitaksija; (b) fizikinis garų pernaša; (c) cheminis garų nusodinimas aukštoje temperatūroje
3 lentelė: LPE, PVT ir HTCCVD palyginimas auginant SiC monokristalus [33, 34]
Tirpalo auginimas yra standartinė sudėtinių puslaidininkių gamybos technologija [36]. Nuo septintojo dešimtmečio tyrėjai bandė sukurti kristalą tirpale [37]. Sukūrus šią technologiją, augimo paviršiaus persisotinimą galima gerai kontroliuoti, todėl tirpalo metodas yra perspektyvi technologija norint gauti aukštos kokybės monokristalų luitus.
SiC monokristalų augimui tirpale Si šaltinis yra labai grynas Si lydalas, o grafitinis tiglis atlieka dvejopas funkcijas: yra šildytuvas ir C tirpinio šaltinis. SiC monokristalai labiau linkę augti esant idealiam stechiometriniam santykiui, kai C ir Si santykis yra artimas 1, o tai rodo mažesnį defektų tankį [28]. Tačiau esant atmosferos slėgiui, SiC neturi lydymosi temperatūros ir tiesiogiai garuodamas skyla aukštesnėje nei apie 2000 °C temperatūroje. SiC lydalai, remiantis teoriniais lūkesčiais, gali susidaryti tik esant dideliam temperatūros gradientui ir tirpalo sistemai, kaip matyti iš Si-C dvejetainės fazės diagramos (4 pav.). Kuo didesnis C kiekis Si lydale, svyruoja nuo 1 at. % iki 13 at. %. Kuo didesnis C viršsotinimas, tuo greitesnis augimo greitis, tuo mažesnė C augimo jėga yra C viršsotinimas, kuriam vyrauja 109 Pa slėgis ir aukštesnė nei 3200 °C temperatūra. Persotinimas gali sukurti lygų paviršių [22, 36–38]. Esant 1 400–2 800 °C temperatūrai, C tirpumas Si lydale svyruoja nuo 1 iki 13 at.%. Augimo varomoji jėga yra C persotinimas, kuriam vyrauja temperatūros gradientas ir tirpalo sistema. Kuo didesnis C persotinimas, tuo greitesnis augimo greitis, o mažas C persotinimas sukuria lygų paviršių [22, 36–38].
4 pav.: Si-C dvejetainė fazių diagrama [40]
Pereinamųjų metalų arba retųjų žemių elementų legiravimas ne tik efektyviai sumažina augimo temperatūrą, bet ir, regis, yra vienintelis būdas drastiškai pagerinti anglies tirpumą Si lydale. Pridėjus pereinamųjų grupių metalų, tokių kaip Ti [8, 14–16, 19, 40–52], Cr [29, 30, 43, 50, 53–75], Co [63, 76], Fe [77–80] ir kt., arba retųjų žemių metalų, tokių kaip Ce [81], Y [82], Sc ir kt., į Si lydalą, anglies tirpumas, esant artimai termodinaminei pusiausvyrai, gali viršyti 50 at.%. Be to, LPE technika yra palanki SiC P tipo legiravimui, kuris gali būti pasiektas į lydinį įmaišant Al.
tirpiklis [50, 53, 56, 59, 64, 71–73, 82, 83]. Tačiau Al įtraukimas padidina P tipo SiC monokristalų varžą [49, 56]. Be N tipo augimo azoto legiravimo metu,
Tirpalo augimas paprastai vyksta inertinių dujų atmosferoje. Nors helis (He) yra brangesnis už argoną, daugelis mokslininkų jį renkasi dėl mažesnio klampumo ir didesnio šilumos laidumo (8 kartus didesnis nei argono) [85]. Migracijos greitis ir Cr kiekis 4H-SiC yra panašūs He ir Ar atmosferose, įrodyta, kad augimas He atmosferoje lemia didesnį augimo greitį nei augimas Ar atmosferoje dėl didesnio užuomazgos laikiklio šilumos išsklaidymo [68]. He trukdo susidaryti tuštumoms išaugusio kristalo viduje ir savaiminiam kristalizacijos procesui tirpale, todėl galima gauti lygią paviršiaus morfologiją [86].
Šiame straipsnyje pristatyta SiC įtaisų kūrimas, taikymas ir savybės, taip pat trys pagrindiniai SiC monokristalų auginimo metodai. Tolesniuose skyriuose apžvelgti dabartiniai tirpalo auginimo metodai ir atitinkami pagrindiniai parametrai. Galiausiai pateikta perspektyva, kurioje aptarti iššūkiai ir būsimi darbai, susiję su SiC monokristalų tūriniu auginimu tirpalo metodu.
Įrašo laikas: 2024 m. liepos 1 d.