Som vist i figur 3, finnes det tre dominerende teknikker som tar sikte på å gi SiC-enkeltkrystall med høy kvalitet og effektivitet: væskefaseepitaksi (LPE), fysisk damptransport (PVT) og høytemperatur kjemisk dampavsetning (HTCVD). PVT er en veletablert prosess for å produsere SiC-enkeltkrystall, som er mye brukt i store waferprodusenter.
Alle de tre prosessene er imidlertid i rask utvikling og innovativitet. Det er ennå ikke mulig å si hvilken prosess som vil bli bredt tatt i bruk i fremtiden. Spesielt høykvalitets SiC-enkrystall produsert ved løsningsvekst med en betydelig hastighet har blitt rapportert de siste årene. SiC-bulkvekst i flytende fase krever en lavere temperatur enn sublimerings- eller avsetningsprosessen, og det viser fremragende resultater i produksjon av P-type SiC-substrater (tabell 3) [33, 34].
Fig. 3: Skjematisk fremstilling av tre dominerende SiC-enkeltkrystallvekstteknikker: (a) væskefaseepitaksi; (b) fysisk damptransport; (c) kjemisk dampavsetning ved høy temperatur
Tabell 3: Sammenligning av LPE, PVT og HTCVD for dyrking av SiC-enkeltkrystaller [33, 34]
Løsningsvekst er en standardteknologi for fremstilling av sammensatte halvledere [36]. Siden 1960-tallet har forskere forsøkt å utvikle en krystall i løsning [37]. Når teknologien er utviklet, kan overmetningen av vekstoverflaten kontrolleres godt, noe som gjør løsningsmetoden til en lovende teknologi for å oppnå høykvalitets enkeltkrystallbarrer.
For løsningsvekst av SiC-enkeltkrystaller stammer Si-kilden fra en svært ren Si-smelte, mens grafittdigelen tjener to formål: varmeelement og kilde til C-løst stoff. SiC-enkeltkrystaller vokser mer sannsynlig under det ideelle støkiometriske forholdet når forholdet mellom C og Si er nær 1, noe som indikerer en lavere defekttetthet [28]. Ved atmosfærisk trykk viser imidlertid SiC ikke noe smeltepunkt og dekomponerer direkte via fordampning ved temperaturer som overstiger rundt 2000 °C. SiC-smelter kan, i henhold til teoretiske forventninger, bare dannes under strenge forhold, som kan sees fra Si-C binærfasediagrammet (fig. 4), av temperaturgradient og løsningssystem. Jo høyere C i Si-smelten varierer fra 1 at.% til 13 at.%. Den drivende C-overmetningen er, desto raskere er vekstraten, mens lav C-kraft i veksten er C-overmetningen som domineres av et trykk på 109 Pa og temperaturer over 3200 °C. Overmetning kan gi en glatt overflate [22, 36-38]. Ved temperaturer mellom 1400 og 2800 °C varierer løseligheten av C i Si-smelten fra 1 at.% til 13 at.%. Drivkraften bak veksten er C-overmetningen som domineres av temperaturgradienten og løsningssystemet. Jo høyere C-overmetning, desto raskere veksthastighet, mens lav C-overmetning gir en glatt overflate [22, 36-38].
Fig. 4: Si-C binært fasediagram [40]
Doping av overgangsmetaller eller sjeldne jordartsmetaller senker ikke bare veksttemperaturen effektivt, men ser ut til å være den eneste måten å drastisk forbedre karbonløseligheten i Si-smelten. Tilsetning av overgangsmetaller, som Ti [8, 14-16, 19, 40-52], Cr [29, 30, 43, 50, 53-75], Co [63, 76], Fe [77-80] osv. eller sjeldne jordartsmetaller, som Ce [81], Y [82], Sc, osv. til Si-smelten, gjør at karbonløseligheten kan overstige 50 at.% i en tilstand nær termodynamisk likevekt. Dessuten er LPE-teknikken gunstig for P-type doping av SiC, som kan oppnås ved å legere Al inn i
løsningsmiddel [50, 53, 56, 59, 64, 71-73, 82, 83]. Imidlertid fører innlemmelsen av Al til en økning i resistiviteten til P-type SiC-enkeltkrystaller [49, 56]. Bortsett fra N-type vekst under nitrogendoping,
Løsningsvekst skjer vanligvis i en inert gassatmosfære. Selv om helium (He) er dyrere enn argon, foretrekkes det av mange forskere på grunn av dets lavere viskositet og høyere varmeledningsevne (8 ganger argon) [85]. Migrasjonshastigheten og Cr-innholdet i 4H-SiC er likt under He- og Ar-atmosfære, og det er bevist at vekst under Here resulterer i en høyere veksthastighet enn vekst under Ar på grunn av den større varmespredningen fra frøholderen [68]. He hindrer dannelsen av hulrom inne i den dyrkede krystallen og spontan kimdannelse i løsningen, og dermed kan en glatt overflatemorfologi oppnås [86].
Denne artikkelen introduserte utviklingen, bruksområdene og egenskapene til SiC-enheter, og de tre hovedmetodene for dyrking av SiC-enkeltkrystaller. I de følgende avsnittene ble de nåværende løsningsvekstteknikkene og tilhørende nøkkelparametere gjennomgått. Til slutt ble det foreslått et perspektiv som diskuterte utfordringene og fremtidig arbeid angående bulkvekst av SiC-enkeltkrystaller via løsningsmetoden.
Publisert: 01.07.2024