După cum se arată în Fig. 3, există trei tehnici dominante care vizează obținerea unui monocristal de SiC de înaltă calitate și eficiență: epitaxia în fază lichidă (LPE), transportul fizic de vapori (PVT) și depunerea chimică de vapori la temperatură înaltă (HTCVD). PVT este un proces bine stabilit pentru producerea monocristalului de SiC, care este utilizat pe scară largă de către principalii producători de napolitane.
Cu toate acestea, toate cele trei procese evoluează și inovează rapid. Nu este încă posibil să se precizeze care proces va fi adoptat pe scară largă în viitor. În special, în ultimii ani s-au raportat monocristale de SiC de înaltă calitate produse prin creșterea în soluție la o rată considerabilă, creșterea în vrac a SiC în faza lichidă necesită o temperatură mai scăzută decât cea a procesului de sublimare sau depunere și demonstrează excelență în producerea substraturilor de SiC de tip P (Tabelul 3) [33, 34].
Fig. 3: Schema a trei tehnici dominante de creștere a monocristalelor de SiC: (a) epitaxie în fază lichidă; (b) transport fizic de vapori; (c) depunere chimică de vapori la temperatură înaltă
Tabelul 3: Comparație între LPE, PVT și HTCVD pentru creșterea monocristalelor de SiC [33, 34]
Creșterea în soluție este o tehnologie standard pentru prepararea semiconductorilor compuși [36]. Încă din anii 1960, cercetătorii au încercat să dezvolte un cristal în soluție [37]. Odată ce tehnologia este dezvoltată, suprasaturația suprafeței de creștere poate fi bine controlată, ceea ce face ca metoda de soluție să fie o tehnologie promițătoare pentru obținerea de lingouri monocristaline de înaltă calitate.
Pentru creșterea în soluție a monocristalului de SiC, sursa de Si provine din topitura de Si de înaltă puritate, în timp ce creuzetul de grafit are un dublu scop: încălzitor și sursă de solut de C. Monocristalele de SiC sunt mai predispuse să crească sub raportul stoichiometric ideal atunci când raportul dintre C și Si este apropiat de 1, indicând o densitate a defectelor mai mică [28]. Cu toate acestea, la presiune atmosferică, SiC nu prezintă punct de topire și se descompune direct prin vaporizare la temperaturi care depășesc aproximativ 2.000 °C. Topiturile de SiC, conform așteptărilor teoretice, se pot forma doar în condiții severe, după cum se observă din diagrama de fază binară Si-C (Fig. 4), care indică faptul că la gradientul de temperatură și sistemul de soluție. Cu cât C în topitura de Si este mai mare, variază de la 1 at.% la 13 at.%. Suprasaturația de C este cea care determină suprasaturația de C, cu atât rata de creștere este mai rapidă, în timp ce forța scăzută de creștere este suprasaturația de C, dominată de o presiune de 109 Pa și temperaturi peste 3.200 °C. Suprasaturația poate produce o suprafață netedă [22, 36-38]. La temperaturi cuprinse între 1.400 și 2.800 °C, solubilitatea C în topitura de Si variază de la 1% la 13% în proporție de atmosferă. Forța motrice a creșterii este suprasaturația C, care este dominată de gradientul de temperatură și sistemul de soluții. Cu cât suprasaturația C este mai mare, cu atât rata de creștere este mai rapidă, în timp ce o suprasaturație scăzută de C produce o suprafață netedă [22, 36-38].
Fig. 4: Diagramă de fază binară Si-C [40]
Doparea elementelor metalice de tranziție sau a elementelor de pământuri rare nu numai că scade eficient temperatura de creștere, dar pare a fi singura modalitate de a îmbunătăți drastic solubilitatea carbonului în topitura de Si. Adăugarea de metale din grupa de tranziție, cum ar fi Ti [8, 14-16, 19, 40-52], Cr [29, 30, 43, 50, 53-75], Co [63, 76], Fe [77-80] etc. sau metale de pământuri rare, cum ar fi Ce [81], Y [82], Sc etc. la topitura de Si permite ca solubilitatea carbonului să depășească 50% at. într-o stare apropiată de echilibrul termodinamic. Mai mult, tehnica LPE este favorabilă pentru doparea de tip P a SiC, care poate fi realizată prin alierea Al în...
solvent [50, 53, 56, 59, 64, 71-73, 82, 83]. Cu toate acestea, încorporarea Al duce la o creștere a rezistivității monocristalelor de SiC de tip P [49, 56]. În afară de creșterea de tip N sub dopare cu azot,
Creșterea în soluție are loc, în general, într-o atmosferă de gaz inert. Deși heliul (He) este mai scump decât argonul, este preferat de mulți cercetători datorită vâscozității sale mai mici și conductivității termice mai mari (de 8 ori mai mare decât argonul) [85]. Rata de migrare și conținutul de Cr în 4H-SiC sunt similare în atmosferă de He și Ar, s-a dovedit că creșterea sub He are ca rezultat o rată de creștere mai mare decât creșterea sub Ar datorită disipării mai mari a căldurii de către suportul de semințe [68]. El împiedică formarea golurilor în interiorul cristalului crescut și nucleația spontană în soluție, astfel încât se poate obține o morfologie netedă a suprafeței [86].
Această lucrare a prezentat dezvoltarea, aplicațiile și proprietățile dispozitivelor SiC, precum și cele trei metode principale pentru creșterea monocristalelor de SiC. În secțiunile următoare, au fost analizate tehnicile actuale de creștere în soluție și parametrii cheie corespunzători. În cele din urmă, a fost propusă o perspectivă care a discutat provocările și lucrările viitoare privind creșterea în vrac a monocristalelor de SiC prin metoda în soluție.
Data publicării: 01 iulie 2024