Jak pokazano na rys. 3, istnieją trzy dominujące techniki mające na celu zapewnienie monokryształu SiC o wysokiej jakości i wydajności: epitaksja w fazie ciekłej (LPE), fizyczny transport z fazy gazowej (PVT) i osadzanie chemiczne z fazy gazowej w wysokiej temperaturze (HTCVD). PVT to dobrze ugruntowany proces produkcji monokryształu SiC, który jest szeroko stosowany przez głównych producentów płytek.
Jednakże wszystkie trzy procesy szybko ewoluują i są innowacyjne. Nie można jeszcze stwierdzić, który proces zostanie szeroko przyjęty w przyszłości. W szczególności, w ostatnich latach odnotowano wysokiej jakości monokryształy SiC produkowane przez wzrost roztworu w znacznym tempie, wzrost masy SiC w fazie ciekłej wymaga niższej temperatury niż proces sublimacji lub osadzania i wykazuje doskonałość w produkcji podłoży SiC typu P (Tabela 3) [33, 34].
Rys. 3: Schemat trzech dominujących technik wzrostu monokryształów SiC: (a) epitaksja w fazie ciekłej; (b) fizyczny transport pary; (c) osadzanie chemiczne z fazy gazowej w wysokiej temperaturze
Tabela 3: Porównanie LPE, PVT i HTCVD w hodowli monokryształów SiC [33, 34]
Wzrost w roztworze jest standardową technologią przygotowywania półprzewodników złożonych [36]. Od lat 60. XX wieku naukowcy podejmowali próby opracowania kryształu w roztworze [37]. Po opracowaniu technologii można dobrze kontrolować przesycenie powierzchni wzrostu, co sprawia, że metoda roztworu jest obiecującą technologią uzyskiwania wysokiej jakości sztabek monokrystalicznych.
W przypadku wzrostu monokryształu SiC w roztworze źródło Si pochodzi z wysoce czystego stopu Si, podczas gdy tygiel grafitowy służy dwóm celom: ogrzewaczowi i źródłu rozpuszczonej substancji C. Monokryształy SiC mają większe szanse na wzrost przy idealnym stosunku stechiometrycznym, gdy stosunek C i Si jest bliski 1, co wskazuje na niższą gęstość defektów [28]. Jednak pod ciśnieniem atmosferycznym SiC nie wykazuje temperatury topnienia i rozkłada się bezpośrednio poprzez parowanie w temperaturach przekraczających około 2000 °C. Stopy SiC, zgodnie z teoretycznymi oczekiwaniami, mogą powstawać tylko w warunkach silnego gradientu temperatury i układu roztworu. Im wyższe stężenie C w stopie Si zmienia się od 1at.% do 13at.%. Im większe jest przesycenie C, tym szybsza jest szybkość wzrostu, podczas gdy niska siła wzrostu C jest przesyceniem C, które jest zdominowane przez ciśnienie 109 Pa i temperatury powyżej 3200 °C. Może ono powodować przesycenie, które wytwarza gładką powierzchnię [22, 36-38]. W temperaturach pomiędzy 1400 a 2800 °C rozpuszczalność C w stopionym Si waha się od 1at.% do 13at.%. Siłą napędową wzrostu jest przesycenie C, które jest zdominowane przez gradient temperatury i układ roztworów. Im wyższe przesycenie C, tym szybsza szybkość wzrostu, podczas gdy niskie przesycenie C wytwarza gładką powierzchnię [22, 36-38].
Rys. 4: Diagram faz binarnych Si-C [40]
Domieszkowanie pierwiastkami metali przejściowych lub pierwiastkami ziem rzadkich nie tylko skutecznie obniża temperaturę wzrostu, ale wydaje się być jedynym sposobem na drastyczną poprawę rozpuszczalności węgla w stopie Si. Dodanie metali z grupy przejściowej, takich jak Ti [8, 14-16, 19, 40-52], Cr [29, 30, 43, 50, 53-75], Co [63, 76], Fe [77-80] itp. lub metali ziem rzadkich, takich jak Ce [81], Y [82], Sc itp. do stopu Si pozwala na przekroczenie rozpuszczalności węgla 50at.% w stanie bliskim równowagi termodynamicznej. Ponadto technika LPE jest korzystna dla domieszkowania SiC typu P, co można osiągnąć przez stopowanie Al w
rozpuszczalnika [50, 53, 56, 59, 64, 71-73, 82, 83]. Jednakże włączenie Al prowadzi do zwiększenia rezystywności monokryształów SiC typu P [49, 56]. Oprócz wzrostu typu N pod wpływem domieszkowania azotem,
wzrost roztworu zazwyczaj zachodzi w atmosferze gazu obojętnego. Chociaż hel (He) jest droższy od argonu, jest preferowany przez wielu naukowców ze względu na niższą lepkość i wyższą przewodność cieplną (8 razy większą niż argon) [85]. Szybkość migracji i zawartość Cr w 4H-SiC są podobne w atmosferze He i Ar, udowodniono, że wzrost pod He powoduje wyższą szybkość wzrostu niż wzrost pod Ar ze względu na większe rozpraszanie ciepła przez pojemnik na zarodek [68]. Utrudnia on tworzenie się pustych przestrzeni wewnątrz wyhodowanego kryształu i spontaniczne nukleacje w roztworze, co pozwala uzyskać gładką morfologię powierzchni [86].
W artykule przedstawiono rozwój, zastosowania i właściwości urządzeń SiC oraz trzy główne metody hodowli monokryształów SiC. W poniższych sekcjach omówiono obecne techniki wzrostu roztworów i odpowiadające im kluczowe parametry. Na koniec zaproponowano perspektywę, która omawiała wyzwania i przyszłe prace dotyczące wzrostu monokryształów SiC metodą roztworów.
Czas publikacji: 01-07-2024