Seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 3, terdapat tiga teknik dominan yang bertujuan untuk menyediakan kristal tunggal SiC dengan kualiti dan kecekapan yang tinggi: epitaksi fasa cecair (LPE), pengangkutan wap fizikal (PVT), dan pemendapan wap kimia suhu tinggi (HTCVD). PVT ialah proses yang mantap untuk menghasilkan kristal tunggal SiC, yang digunakan secara meluas dalam pengeluar wafer utama.
Walau bagaimanapun, ketiga-tiga proses ini berkembang pesat dan berinovasi. Proses mana yang akan digunakan secara meluas pada masa hadapan masih belum dapat ditentukan. Khususnya, kristal tunggal SiC berkualiti tinggi yang dihasilkan melalui pertumbuhan larutan pada kadar yang tinggi telah dilaporkan dalam beberapa tahun kebelakangan ini, pertumbuhan pukal SiC dalam fasa cecair memerlukan suhu yang lebih rendah daripada proses pemejalwapan atau pemendapan, dan ia menunjukkan kecemerlangan dalam menghasilkan substrat SiC jenis-P (Jadual 3) [33, 34].
Rajah 3: Skematik tiga teknik pertumbuhan hablur tunggal SiC yang dominan: (a) epitaksi fasa cecair; (b) pengangkutan wap fizikal; (c) pemendapan wap kimia suhu tinggi
Jadual 3: Perbandingan LPE, PVT dan HTCVD untuk menumbuhkan kristal tunggal SiC [33, 34]
Pertumbuhan larutan merupakan teknologi standard untuk menyediakan semikonduktor sebatian [36]. Sejak tahun 1960-an, para penyelidik telah cuba membangunkan kristal dalam larutan [37]. Sebaik sahaja teknologi ini dibangunkan, ketepuan lampau permukaan pertumbuhan dapat dikawal dengan baik, yang menjadikan kaedah larutan sebagai teknologi yang menjanjikan untuk mendapatkan jongkong kristal tunggal yang berkualiti tinggi.
Bagi pertumbuhan larutan hablur tunggal SiC, sumber Si berasal daripada lelehan Si yang sangat tulen manakala mangkuk pijar grafit mempunyai dua tujuan: pemanas dan sumber zat terlarut C. Hablur tunggal SiC lebih cenderung untuk tumbuh di bawah nisbah stoikiometri ideal apabila nisbah C dan Si hampir kepada 1, menunjukkan ketumpatan kecacatan yang lebih rendah [28]. Walau bagaimanapun, pada tekanan atmosfera, SiC tidak menunjukkan takat lebur dan terurai secara langsung melalui pengewapan pada suhu melebihi sekitar 2,000 °C. Lelehan SiC, mengikut jangkaan teori, hanya boleh dibentuk di bawah tekanan yang teruk yang boleh dilihat daripada gambarajah fasa binari Si-C (Rajah 4) iaitu pada kecerunan suhu dan sistem larutan. Semakin tinggi C dalam lelehan Si berbeza-beza dari 1at.% hingga 13at.%. Pemacu ketepuan lampau C, semakin cepat kadar pertumbuhan, manakala daya C yang rendah bagi pertumbuhan tersebut ialah ketepuan lampau C yang didominasi tekanan 109 Pa dan suhu melebihi 3,200 °C. Pada suhu antara 1,400 dan 2,800 °C, keterlarutan C dalam lelehan Si berbeza-beza dari 1at.% hingga 13at.%. Daya penggerak pertumbuhan ialah ketepuan C yang didominasi oleh kecerunan suhu dan sistem larutan. Semakin tinggi ketepuan C, semakin cepat kadar pertumbuhan, manakala ketepuan C yang rendah menghasilkan permukaan yang licin [22, 36-38].
Rajah 4: Gambarajah fasa binari Si-C [40]
Doping unsur logam peralihan atau unsur nadir bumi bukan sahaja berkesan menurunkan suhu pertumbuhan tetapi nampaknya satu-satunya cara untuk meningkatkan keterlarutan karbon secara drastik dalam lelehan Si. Penambahan logam kumpulan peralihan, seperti Ti [8, 14-16, 19, 40-52], Cr [29, 30, 43, 50, 53-75], Co [63, 76], Fe [77-80], dsb. atau logam nadir bumi, seperti Ce [81], Y [82], Sc, dsb. kepada lelehan Si membolehkan keterlarutan karbon melebihi 50at.% dalam keadaan hampir dengan keseimbangan termodinamik. Selain itu, teknik LPE sesuai untuk doping jenis-P SiC, yang boleh dicapai dengan mengaloi Al ke dalam
pelarut [50, 53, 56, 59, 64, 71-73, 82, 83]. Walau bagaimanapun, penggabungan Al membawa kepada peningkatan kerintangan hablur tunggal SiC jenis-P [49, 56]. Selain daripada pertumbuhan jenis-N di bawah doping nitrogen,
Pertumbuhan larutan secara amnya berlaku dalam atmosfera gas lengai. Walaupun helium (He) lebih mahal daripada argon, ia disukai oleh ramai sarjana kerana kelikatannya yang lebih rendah dan kekonduksian terma yang lebih tinggi (8 kali ganda argon) [85]. Kadar migrasi dan kandungan Cr dalam 4H-SiC adalah serupa di bawah atmosfera He dan Ar, terbukti bahawa pertumbuhan di bawah He menghasilkan kadar pertumbuhan yang lebih tinggi daripada pertumbuhan di bawah Ar disebabkan oleh pelesapan haba yang lebih besar pada pemegang benih [68]. He menghalang pembentukan lompang di dalam kristal yang tumbuh dan nukleasi spontan dalam larutan, maka, morfologi permukaan yang licin dapat diperoleh [86].
Kertas kerja ini memperkenalkan pembangunan, aplikasi dan sifat peranti SiC, serta tiga kaedah utama untuk menumbuhkan hablur tunggal SiC. Dalam bahagian berikut, teknik pertumbuhan larutan semasa dan parameter utama yang sepadan telah dikaji semula. Akhir sekali, satu tinjauan telah dicadangkan yang membincangkan cabaran dan kerja masa hadapan mengenai pertumbuhan pukal hablur tunggal SiC melalui kaedah larutan.
Masa siaran: 01-Julai-2024