एसआयसी स्फटिक वाढीसाठी तीन प्रमुख तंत्रे

आकृती ३ मध्ये दाखवल्याप्रमाणे, उच्च दर्जाचे आणि कार्यक्षमतेने SiC सिंगल क्रिस्टल प्रदान करण्याच्या उद्देशाने तीन प्रमुख तंत्रे आहेत: लिक्विड फेज एपिटॅक्सी (LPE), फिजिकल व्हेपर ट्रान्सपोर्ट (PVT), आणि हाय-टेम्परेचर केमिकल व्हेपर डिपॉझिशन (HTCVD). PVT ही SiC सिंगल क्रिस्टल तयार करण्याची एक सुस्थापित प्रक्रिया आहे, जी प्रमुख वेफर उत्पादकांमध्ये मोठ्या प्रमाणावर वापरली जाते.

तथापि, तिन्ही प्रक्रिया वेगाने विकसित होत आहेत आणि नवनवीन शोध लावत आहेत. भविष्यात कोणती प्रक्रिया मोठ्या प्रमाणावर स्वीकारली जाईल हे अद्याप सांगणे शक्य नाही. विशेषतः, अलिकडच्या वर्षांत सोल्युशन ग्रोथद्वारे मोठ्या प्रमाणात उच्च-गुणवत्तेचे SiC सिंगल क्रिस्टल तयार केल्याचे नोंदवले गेले आहे, द्रव अवस्थेतील SiC बल्क ग्रोथसाठी सब्लिमेशन किंवा डिपॉझिशन प्रक्रियेपेक्षा कमी तापमानाची आवश्यकता असते आणि ते P-प्रकारचे SiC सबस्ट्रेट्स तयार करण्यात उत्कृष्टता दर्शवते (तक्ता 3) [33, 34].

आकृती ३: SiC एकल स्फटिक वाढीच्या तीन प्रमुख तंत्रांची योजनाबद्ध मांडणी: (a) द्रव प्रावस्था एपिटॅक्सी; (b) भौतिक बाष्प परिवहन; (c) उच्च-तापमान रासायनिक बाष्प निक्षेपण

तक्ता ३: एसआयसी एकल स्फटिक वाढवण्यासाठी एलपीई, पीव्हीटी आणि एचटीसीव्हीडी यांची तुलना [३३, ३४]

संयुक्त अर्धसंवाहक तयार करण्यासाठी द्रावण वाढ ही एक मानक तंत्रज्ञान आहे [36]. 1960 च्या दशकापासून, संशोधकांनी द्रावणात स्फटिक विकसित करण्याचा प्रयत्न केला आहे [37]. एकदा तंत्रज्ञान विकसित झाल्यावर, वाढ पृष्ठभागाचे अतिसंपृक्तता चांगल्या प्रकारे नियंत्रित केली जाऊ शकते, ज्यामुळे द्रावण पद्धत उच्च-गुणवत्तेचे एकल स्फटिक इंगॉट मिळविण्यासाठी एक आशादायक तंत्रज्ञान बनते.

SiC एकल स्फटिकाच्या द्रावण वाढीसाठी, Si स्रोत अत्यंत शुद्ध Si वितळलेल्या द्रवातून येतो, तर ग्रॅफाइट क्रुसिबल दुहेरी उद्देश पूर्ण करते: हीटर आणि C विद्राव्य स्रोत. जेव्हा C आणि Si चे गुणोत्तर 1 च्या जवळ असते, तेव्हा आदर्श स्टॉइकिओमेट्रिक गुणोत्तराखाली SiC एकल स्फटिक वाढण्याची अधिक शक्यता असते, जे कमी दोष घनता दर्शवते [28]. तथापि, वातावरणीय दाबावर, SiC ला कोणताही वितळणबिंदू नसतो आणि सुमारे 2,000 °C पेक्षा जास्त तापमानावर त्याचे थेट बाष्पीभवनाद्वारे विघटन होते. सैद्धांतिक अपेक्षेनुसार, SiC वितळलेले द्रव केवळ तीव्र तापमान प्रवणता आणि द्रावण प्रणाली अंतर्गत तयार होऊ शकतात. Si वितळलेल्या द्रवातील C चे प्रमाण 1 at.% ते 13 at.% पर्यंत बदलते. वाढीसाठी प्रेरक C अतिसंपृक्तता ही C अतिसंपृक्तता आहे, जी 109 Pa च्या दाबावर आणि 3,200 °C पेक्षा जास्त तापमानावर प्रभावी ठरते. अतिसंपृक्ततेमुळे गुळगुळीत पृष्ठभाग तयार होतो [22, 36-38]. 1,400 ते 2,800 °C तापमानादरम्यान, Si वितळलेल्या द्रवात C ची विद्राव्यता 1at.% ते 13at.% पर्यंत बदलते. वाढीमागील प्रेरक शक्ती C ची अतिसंपृक्तता आहे, जी तापमान प्रवणता आणि द्रावण प्रणालीवर अवलंबून असते. C ची अतिसंपृक्तता जितकी जास्त असेल, तितका वाढीचा दर जलद असतो, तर कमी C अतिसंपृक्ततेमुळे गुळगुळीत पृष्ठभाग तयार होतो [22, 36-38].

आकृती ४: Si-C बायनरी फेज डायग्राम [40]

संक्रमण धातू किंवा दुर्मिळ-पृथ्वी मूलद्रव्यांचे डोपिंग केल्याने वाढीचे तापमान प्रभावीपणे कमी होतेच, शिवाय सिलिकॉन वितळामध्ये कार्बनची विद्राव्यता मोठ्या प्रमाणात सुधारण्याचा हा एकमेव मार्ग असल्याचे दिसते. टायटॅनियम [8, 14-16, 19, 40-52], क्रोमियम [29, 30, 43, 50, 53-75], कोबाल्ट [63, 76], लोह [77-80] इत्यादी संक्रमण गट धातू किंवा सेरियम [81], यट्रियम [82], स्कँडियम इत्यादी दुर्मिळ-पृथ्वी धातू सिलिकॉन वितळामध्ये मिसळल्याने, थर्मोडायनॅमिक समतोलाच्या जवळच्या स्थितीत कार्बनची विद्राव्यता ५० अणु-टक्क्यांपेक्षा जास्त होते. शिवाय, LPE तंत्र SiC च्या P-प्रकारच्या डोपिंगसाठी अनुकूल आहे, जे ॲल्युमिनियमचे मिश्रण करून साध्य केले जाऊ शकते.
द्रावक [५०, ५३, ५६, ५९, ६४, ७१-७३, ८२, ८३]. तथापि, Al च्या समावेशामुळे P-प्रकारच्या SiC एकल स्फटिकांच्या रोधकतेत वाढ होते [४९, ५६]. नायट्रोजन डोपिंग अंतर्गत N-प्रकारच्या वाढीव्यतिरिक्त,

द्रावण वाढ सामान्यतः निष्क्रिय वायूच्या वातावरणात होते. जरी हेलियम (He) आर्गॉनपेक्षा महाग असला तरी, त्याच्या कमी स्निग्धतेमुळे आणि उच्च औष्णिक वाहकतेमुळे (आर्गॉनच्या ८ पट) अनेक विद्वान त्याला पसंती देतात [85]. 4H-SiC मधील स्थलांतर दर आणि Cr सामग्री He आणि Ar वातावरणाखाली समान आहेत, हे सिद्ध झाले आहे की सीड होल्डरच्या जास्त उष्णता विसर्जनामुळे He अंतर्गत वाढीचा दर Ar अंतर्गत वाढीपेक्षा जास्त असतो [68]. He वाढलेल्या स्फटिकाच्या आत पोकळी तयार होण्यास आणि द्रावणात उत्स्फूर्त केंद्रक निर्मितीस प्रतिबंध करतो, त्यामुळे, एक गुळगुळीत पृष्ठभाग आकारविज्ञान प्राप्त केले जाऊ शकते [86].

या शोधनिबंधात SiC उपकरणांचा विकास, उपयोग आणि गुणधर्म, तसेच SiC एकल स्फटिक वाढवण्याच्या तीन मुख्य पद्धतींची ओळख करून देण्यात आली आहे. पुढील विभागांमध्ये, सध्याच्या द्रावण वाढ तंत्रांचा आणि संबंधित प्रमुख मापदंडांचा आढावा घेण्यात आला. शेवटी, द्रावण पद्धतीद्वारे SiC एकल स्फटिकांच्या मोठ्या प्रमाणातील वाढीसंदर्भातील आव्हाने आणि भविष्यातील कार्यांवर चर्चा करणारा एक दृष्टिकोन मांडण्यात आला.