Zoals weergegeven in Fig. 3, zijn er drie dominante technieken gericht op het produceren van hoogwaardige en efficiënte SiC-eenkristallen: vloeistoffase-epitaxie (LPE), fysisch damptransport (PVT) en chemische dampafzetting bij hoge temperatuur (HTCVD). PVT is een gevestigd proces voor de productie van SiC-eenkristallen en wordt veelvuldig gebruikt door grote waferfabrikanten.
Alle drie de processen ontwikkelen zich echter snel en worden voortdurend vernieuwd. Het is nog niet mogelijk om te voorspellen welk proces in de toekomst op grote schaal zal worden toegepast. In het bijzonder is de productie van hoogwaardige SiC-eenkristallen door middel van oplossingsgroei in een aanzienlijk tempo de afgelopen jaren gerapporteerd. De groei van SiC-bulkkristallen in de vloeibare fase vereist een lagere temperatuur dan die van het sublimatie- of depositieproces, en het is uitermate geschikt voor de productie van P-type SiC-substraten (Tabel 3) [33, 34].
Figuur 3: Schematische weergave van drie dominante technieken voor de groei van SiC-eenkristallen: (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-eenkristallen [33, 34]
Oplossingsgroei is een standaardtechnologie voor de bereiding 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, waardoor de oplossingsmethode een veelbelovende technologie is voor het verkrijgen van hoogwaardige enkelkristalstaven.
Voor de oplossingsgroei van SiC-eenkristallen is de Si-bron afkomstig van een zeer zuivere Si-smelt, terwijl de grafietkroes een dubbele functie vervult: als verwarmer en als bron van C-oplossing. SiC-eenkristallen 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 heeft SiC echter geen smeltpunt en ontleedt het direct door verdamping bij temperaturen boven circa 2000 °C. SiC-smelten kunnen, volgens theoretische verwachtingen, alleen worden gevormd onder een sterk temperatuurgradiënt en een oplossingssysteem. Hoe hoger de C-oververzadiging in de Si-smelt, hoe sneller de groeisnelheid, terwijl een lage C-oververzadiging dominant is bij een druk van 109 Pa en temperaturen boven 3200 °C. Bij temperaturen tussen 1400 en 2800 °C varieert de oplosbaarheid van C in het Si-smeltbad 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 toevoegen van overgangsmetalen of zeldzame aardmetalen verlaagt niet alleen effectief de groeitstemperatuur, maar lijkt ook de enige manier om de koolstofoplosbaarheid in gesmolten silicium drastisch te verbeteren. De toevoeging van overgangsmetalen, 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 het gesmolten silicium maakt het mogelijk dat de koolstofoplosbaarheid meer dan 50 at.% bedraagt in een toestand die dicht bij thermodynamisch evenwicht ligt. Bovendien is de LPE-techniek gunstig voor P-type dotering van SiC, wat kan worden bereikt door Al in het silicium te legeren.
oplosmiddel [50, 53, 56, 59, 64, 71-73, 82, 83]. De incorporatie van Al leidt echter tot een toename van de soortelijke weerstand van P-type SiC-eenkristallen [49, 56]. Afgezien van N-type groei onder stikstofdotering,
Oplossingsgroei vindt over het algemeen plaats in een inerte gasatmosfeer. Hoewel helium (He) duurder is dan argon, wordt het door veel onderzoekers geprefereerd 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 onder He- en Ar-atmosfeer. Het is bewezen dat groei onder He resulteert in een hogere groeisnelheid dan groei onder Ar vanwege de grotere warmteafvoer van de zaadhouder [68]. He remt de vorming van holtes in het gegroeide kristal en spontane nucleatie in de oplossing, waardoor een gladde oppervlaktemorfologie kan worden verkregen [86].
Dit artikel introduceert de ontwikkeling, toepassingen en eigenschappen van SiC-apparaten, en de drie belangrijkste methoden voor het kweken van SiC-eenkristallen. In de volgende paragrafen worden de huidige kweektechnieken vanuit een oplossing en de bijbehorende sleutelparameters besproken. Ten slotte wordt een toekomstvisie geschetst waarin de uitdagingen en toekomstige ontwikkelingen met betrekking tot de bulkkweek van SiC-eenkristallen via de oplossingsmethode worden besproken.
Geplaatst op: 1 juli 2024