Как показано на рис. 3, существует три основных метода, направленных на получение высококачественных и эффективных монокристаллов SiC: жидкофазная эпитаксия (LPE), физическая парофазная транспортировка (PVT) и высокотемпературное химическое осаждение из газовой фазы (HTCVD). PVT — это хорошо зарекомендовавший себя процесс получения монокристаллов SiC, широко используемый крупными производителями кремниевых пластин.
Однако все три процесса быстро развиваются и внедряют инновации. Пока невозможно сказать наверняка, какой из процессов получит широкое распространение в будущем. В частности, в последние годы сообщалось о получении высококачественных монокристаллов SiC методом роста из раствора со значительной скоростью, рост объемного SiC в жидкой фазе требует более низкой температуры, чем процесс сублимации или осаждения, и демонстрирует превосходные результаты в производстве подложек SiC P-типа (таблица 3) [33, 34].
Рис. 3: Схема трех основных методов выращивания монокристаллов SiC: (a) жидкофазная эпитаксия; (b) физический перенос паров; (c) высокотемпературное химическое осаждение из паровой фазы.
Таблица 3: Сравнение LPE, PVT и HTCVD для выращивания монокристаллов SiC [33, 34]
Выращивание из раствора — стандартная технология получения сложных полупроводников [36]. Начиная с 1960-х годов исследователи пытались разработать кристалл в растворе [37]. После разработки технологии можно было хорошо контролировать пересыщение поверхности роста, что делает метод выращивания из раствора перспективной технологией для получения высококачественных монокристаллических слитков.
Для выращивания монокристаллов SiC из раствора источником Si служит высокочистый расплав Si, а графитовый тигель выполняет двойную функцию: нагреватель и источник растворенного углерода. Монокристаллы SiC с большей вероятностью растут при идеальном стехиометрическом соотношении, когда соотношение C и Si близко к 1, что указывает на более низкую плотность дефектов [28]. Однако при атмосферном давлении SiC не имеет точки плавления и разлагается непосредственно путем испарения при температурах, превышающих около 2000 °C. Расплавы SiC, согласно теоретическим ожиданиям, могут образовываться только при сильном температурном градиенте и в растворе. Чем выше содержание C в расплаве Si, тем выше скорость роста, тогда как при низком содержании C преобладает пересыщение C, которое определяется давлением 109 Па и температурами выше 3200 °C. Пересыщение приводит к образованию гладкой поверхности [22, 36-38]. При температурах от 1400 до 2800 °C растворимость C в расплаве Si варьируется от 1 ат.% до 13 ат.%. Движущей силой роста является пересыщение C, которое определяется температурным градиентом и системой раствора. Чем выше пересыщение C, тем быстрее скорость роста, тогда как низкое пересыщение C приводит к образованию гладкой поверхности [22, 36-38].
Рис. 4: Бинарная фазовая диаграмма Si-C [40]
Легирование переходными металлами или редкоземельными элементами не только эффективно снижает температуру роста, но и, по-видимому, является единственным способом значительно улучшить растворимость углерода в расплаве кремния. Добавление металлов переходных групп, таких как Ti [8, 14-16, 19, 40-52], Cr [29, 30, 43, 50, 53-75], Co [63, 76], Fe [77-80] и др., или редкоземельных металлов, таких как Ce [81], Y [82], Sc и др., в расплав кремния позволяет достичь растворимости углерода более 50 ат.% в состоянии, близком к термодинамическому равновесию. Более того, метод жидкофазной эпитаксии благоприятен для легирования SiC P-типа, которое может быть достигнуто путем легирования Al в SiC.
растворитель [50, 53, 56, 59, 64, 71-73, 82, 83]. Однако включение Al приводит к увеличению удельного сопротивления монокристаллов SiC P-типа [49, 56]. Помимо роста N-типа при легировании азотом,
Рост раствора обычно происходит в атмосфере инертного газа. Хотя гелий (He) дороже аргона, многие ученые отдают ему предпочтение из-за его меньшей вязкости и более высокой теплопроводности (в 8 раз выше, чем у аргона) [85]. Скорость миграции и содержание Cr в 4H-SiC схожи в атмосфере He и Ar, доказано, что рост в атмосфере He приводит к более высокой скорости роста, чем рост в атмосфере Ar, благодаря большему рассеиванию тепла держателем затравки [68]. He препятствует образованию пустот внутри растущего кристалла и спонтанному зарождению в растворе, поэтому можно получить гладкую морфологию поверхности [86].
В данной статье представлены разработка, области применения и свойства устройств на основе карбида кремния (SiC), а также три основных метода выращивания монокристаллов SiC. В последующих разделах рассмотрены современные методы выращивания из раствора и соответствующие ключевые параметры. Наконец, предложен обзор перспектив, в котором обсуждаются проблемы и будущие направления исследований, касающиеся выращивания монокристаллов SiC в больших объемах методом из раствора.
Дата публикации: 01.07.2024