Kā parādīts 3. attēlā, pastāv trīs dominējošas metodes, kuru mērķis ir nodrošināt SiC monokristālu ar augstu kvalitāti un efektivitāti: šķidrfāzes epitaksija (LPE), fizikālā tvaiku pārnešana (PVT) un ķīmiskā tvaiku pārnešana augstā temperatūrā (HTCVD). PVT ir labi izveidota SiC monokristāla ražošanas metode, ko plaši izmanto lielākie vafeļu ražotāji.
Tomēr visi trīs procesi strauji attīstās un tiek ieviesti jauninājumos. Pagaidām nav iespējams paredzēt, kurš process nākotnē tiks plaši pieņemts. Jo īpaši pēdējos gados ir ziņots par augstas kvalitātes SiC monokristālu, kas iegūts, izmantojot šķīduma audzēšanu ar ievērojamu ātrumu, SiC masas audzēšanai šķidrā fāzē nepieciešama zemāka temperatūra nekā sublimācijas vai nogulsnēšanas procesam, un tas demonstrē izcilību P tipa SiC substrātu ražošanā (3. tabula) [33, 34].
3. attēls: Trīs dominējošo SiC monokristālu audzēšanas metožu shēma: (a) šķidrfāzes epitaksija; (b) fizikālā tvaiku pārnešana; (c) ķīmiskā tvaiku pārnešana augstā temperatūrā
3. tabula: LPE, PVT un HTCPVD salīdzinājums SiC monokristālu audzēšanai [33, 34]
Šķīduma audzēšana ir standarta tehnoloģija saliktu pusvadītāju iegūšanai [36]. Kopš 20. gs. sešdesmitajiem gadiem pētnieki ir mēģinājuši izstrādāt kristālu šķīdumā [37]. Kad tehnoloģija ir izstrādāta, augšanas virsmas pārsātināšanos var labi kontrolēt, kas padara šķīduma metodi par daudzsološu tehnoloģiju augstas kvalitātes monokristāla stieņu iegūšanai.
SiC monokristāla šķīduma augšanai Si avots ir ļoti tīrs Si kausējums, savukārt grafīta tīģelis kalpo diviem mērķiem: sildītājam un C šķīdinātāja avotam. SiC monokristāli, visticamāk, augs ideālā stehiometriskā attiecībā, kad C un Si attiecība ir tuvu 1, kas norāda uz zemāku defektu blīvumu [28]. Tomēr atmosfēras spiedienā SiC nav kušanas temperatūras un tas sadalās tieši iztvaikojot temperatūrā, kas pārsniedz aptuveni 2000 °C. SiC kausējumi, saskaņā ar teorētiskajām cerībām, var veidoties tikai spēcīgos temperatūras gradientos un šķīduma sistēmā, kā redzams no Si-C binārās fāžu diagrammas (4. att.). Jo augstāks ir C Si kausējumā, svārstās no 1 at.% līdz 13 at.%. Jo augstāks ir C pārsātinājums, jo ātrāks ir augšanas ātrums, savukārt zems ir C augšanas spēks ir C pārsātinājums, kurā dominē 109 Pa spiediens un temperatūra virs 3200 °C. Pārsātinājums var radīt gludu virsmu [22, 36–38]. Temperatūrā no 1400 līdz 2800 °C C šķīdība Si kausējumā svārstās no 1 at.% līdz 13 at.%. Augšanas virzītājspēks ir C pārsātinājums, ko nosaka temperatūras gradients un šķīduma sistēma. Jo augstāks ir C pārsātinājums, jo ātrāks ir augšanas ātrums, savukārt zems C pārsātinājums rada gludu virsmu [22, 36–38].
4. attēls: Si-C binārā fāžu diagramma [40]
Pārejas metālu elementu vai retzemju elementu dopēšana ne tikai efektīvi pazemina augšanas temperatūru, bet, šķiet, ir vienīgais veids, kā ievērojami uzlabot oglekļa šķīdību Si kausējumā. Pārejas grupas metālu, piemēram, Ti [8, 14–16, 19, 40–52], Cr [29, 30, 43, 50, 53–75], Co [63, 76], Fe [77–80] utt., vai retzemju metālu, piemēram, Ce [81], Y [82], Sc utt., pievienošana Si kausējumam ļauj oglekļa šķīdībai pārsniegt 50 at.% stāvoklī, kas ir tuvu termodinamiskajam līdzsvaram. Turklāt LPE metode ir labvēlīga SiC P tipa dopēšanai, ko var panākt, sakausējot Al ar
šķīdinātājs [50, 53, 56, 59, 64, 71–73, 82, 83]. Tomēr Al pievienošana palielina P tipa SiC monokristālu pretestību [49, 56]. Papildus N tipa augšanai slāpekļa dopinga ietekmē,
Šķīduma augšana parasti notiek inertas gāzes atmosfērā. Lai gan hēlijs (He) ir dārgāks nekā argons, daudzi zinātnieki to dod priekšroku tā zemākās viskozitātes un augstākās siltumvadītspējas dēļ (8 reizes vairāk nekā argonam) [85]. Migrācijas ātrums un Cr saturs 4H-SiC ir līdzīgs He un Ar atmosfērā, ir pierādīts, ka augšana He atmosfērā rada lielāku augšanas ātrumu nekā augšana Ar atmosfērā, pateicoties lielākai sēklas turētāja siltuma izkliedei [68]. He kavē tukšumu veidošanos audzētā kristāla iekšpusē un spontānu kodolu veidošanos šķīdumā, tāpēc var iegūt gludu virsmas morfoloģiju [86].
Šajā rakstā tika iepazīstināts ar SiC ierīču izstrādi, pielietojumu un īpašībām, kā arī trim galvenajām SiC monokristālu audzēšanas metodēm. Turpmākajās sadaļās tika pārskatītas pašreizējās šķīduma audzēšanas metodes un atbilstošie galvenie parametri. Visbeidzot, tika piedāvāts pārskats, kurā tika apspriesti izaicinājumi un turpmākie darbi saistībā ar SiC monokristālu audzēšanu tilpumā, izmantojot šķīduma metodi.
Publicēšanas laiks: 2024. gada 1. jūlijs