Zoals weergegeven in figuur 3, zijn er drie dominante technieken die erop gericht zijn om SiC-monokristallen van hoge kwaliteit en efficiëntie te produceren: vloeistoffase-epitaxie (LPE), fysisch damptransport (PVT) en chemische dampdepositie bij hoge temperatuur (HTCVD). PVT is een beproefd proces voor de productie van SiC-monokristallen, dat veel wordt gebruikt door grote waferfabrikanten.
Alle drie de processen ontwikkelen zich echter snel en zijn innovatief. Het is nog niet mogelijk om te voorspellen welk proces in de toekomst op grote schaal zal worden toegepast. Met name de productie van hoogwaardige SiC-monokristallen door middel van oplossingsgroei in een aanzienlijk tempo is de afgelopen jaren gerapporteerd. De bulkgroei van SiC in de vloeibare fase vereist een lagere temperatuur dan die van het sublimatie- of depositieproces, en het toont uitmuntendheid in de productie van P-type SiC-substraten (tabel 3) [33, 34].
Figuur 3: Schematische weergave van drie dominante SiC-kristalgroeitechnieken: (a) vloeistoffase-epitaxie; (b) fysisch damptransport; (c) chemische dampafzetting bij hoge temperatuur
Tabel 3: Vergelijking van LPE, PVT en HTCVD voor het kweken van SiC-kristallen [33, 34]
Oplossingsgroei is een standaardtechnologie voor het bereiden van samengestelde halfgeleiders [36]. Sinds de jaren zestig hebben onderzoekers geprobeerd een kristal in oplossing te ontwikkelen [37]. Zodra de technologie is ontwikkeld, kan de oververzadiging van het groeioppervlak goed worden gecontroleerd, wat de oplossingsmethode tot een veelbelovende technologie maakt voor het verkrijgen van hoogwaardige monokristallijne staven.
Voor de oplossingsgroei van SiC-monokristallen is de Si-bron afkomstig van een zeer zuivere Si-smelt, terwijl de grafietkroes een dubbel doel dient: verwarming en bron van opgeloste C-stof. SiC-monokristallen groeien waarschijnlijker onder de ideale stoichiometrische verhouding wanneer de verhouding van C en Si dicht bij 1 ligt, wat wijst op een lagere defectdichtheid [28]. Bij atmosferische druk vertoont SiC echter geen smeltpunt en ontleedt het direct via verdamping bij temperaturen boven de 2000 °C. SiC-smelten kunnen, volgens theoretische verwachtingen, alleen worden gevormd onder strenge temperatuurgradiënten en oplossingssystemen. Hoe hoger de C in de Si-smelt, hoe hoger de C-oververzadiging, hoe sneller de groeisnelheid. De lage C-kracht van de groei is de C-oververzadiging die wordt gedomineerd door een druk van 109 Pa en temperaturen boven de 3200 °C. Oververzadiging kan een glad oppervlak opleveren [22, 36-38]. Bij temperaturen tussen 1400 en 2800 °C varieert de oplosbaarheid van C in de Si-smelt van 1 at.% tot 13 at.%. De drijvende kracht achter de groei is de C-oververzadiging, die wordt gedomineerd door de temperatuurgradiënt en het oplossingssysteem. Hoe hoger de C-oververzadiging, hoe sneller de groeisnelheid, terwijl een lage C-oververzadiging een glad oppervlak oplevert [22, 36-38].
Figuur 4: Binair fasediagram van Si-C [40]
Het doperen van overgangsmetaalelementen of zeldzame aardmetalen verlaagt niet alleen effectief de groeitemperatuur, maar lijkt ook de enige manier om de koolstofoplosbaarheid in Si-smelt drastisch te verbeteren. De toevoeging van overgangsgroepmetalen, zoals Ti [8, 14-16, 19, 40-52], Cr [29, 30, 43, 50, 53-75], Co [63, 76], Fe [77-80], enz. of zeldzame aardmetalen, zoals Ce [81], Y [82], Sc, enz. aan de Si-smelt zorgt ervoor dat de koolstofoplosbaarheid hoger wordt dan 50 at.% in een toestand die dicht bij het thermodynamische evenwicht ligt. Bovendien is de LPE-techniek gunstig voor P-type dopering van SiC, wat kan worden bereikt door Al te legeren in de
oplosmiddel [50, 53, 56, 59, 64, 71-73, 82, 83]. De toevoeging van Al leidt echter tot een toename van de soortelijke weerstand van P-type SiC-kristallen [49, 56]. Naast de groei van het N-type onder stikstofdoping,
De groei van oplossingen vindt over het algemeen plaats in een inerte gasatmosfeer. Hoewel helium (He) duurder is dan argon, geniet het de voorkeur van veel wetenschappers vanwege de lagere viscositeit en hogere thermische geleidbaarheid (8 keer die van argon) [85]. De migratiesnelheid en het Cr-gehalte in 4H-SiC zijn vergelijkbaar in een He- en Ar-atmosfeer; het is bewezen dat groei onder H e resulteert in een hogere groeisnelheid dan groei onder Ar vanwege de grotere warmteafvoer van de zaadhouder [68]. H e belemmert de vorming van holtes in het gegroeide kristal en spontane nucleatie in de oplossing, waardoor een gladde oppervlaktemorfologie kan worden verkregen [86].
In dit artikel werden de ontwikkeling, toepassingen en eigenschappen van SiC-componenten beschreven, evenals de drie belangrijkste methoden voor het kweken van SiC-kristallen. In de volgende paragrafen werden de huidige technieken voor oplossingsgroei en de bijbehorende sleutelparameters besproken. Tot slot werd een visie voorgesteld die de uitdagingen en toekomstige ontwikkelingen met betrekking tot de bulkgroei van SiC-kristallen via de oplossingsmethode besprak.
Plaatsingstijd: 1 juli 2024