Как показано на рис. 3, существуют три доминирующих метода, направленных на получение монокристаллов SiC высокого качества и эффективности: жидкофазная эпитаксия (LPE), физический перенос паров (PVT) и высокотемпературное химическое осаждение паров (HTCVD). PVT — это хорошо зарекомендовавший себя процесс производства монокристаллов SiC, который широко используется крупными производителями пластин.
Однако все три процесса быстро развиваются и внедряют инновации. Пока невозможно утверждать, какой процесс получит широкое распространение в будущем. В частности, в последние годы сообщалось о высококачественном монокристалле SiC, полученном путем роста из раствора со значительной скоростью, объемный рост SiC в жидкой фазе требует более низкой температуры, чем процесс сублимации или осаждения, и он демонстрирует превосходство 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 паров
Таблица 3: Сравнение методов LPE, PVT и HTCVD для выращивания монокристаллов SiC [33, 34]
Рост в растворе является стандартной технологией получения полупроводниковых соединений [36]. С 1960-х годов исследователи пытались разработать кристалл в растворе [37]. После разработки технологии пересыщение поверхности роста можно хорошо контролировать, что делает метод раствора перспективной технологией для получения высококачественных монокристаллических слитков.
Для роста монокристалла SiC из раствора источником Si является расплав высокочистого Si, в то время как графитовый тигель служит двойной целью: нагревателя и источника растворенного вещества C. Монокристаллы SiC с большей вероятностью будут расти 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 показывает температуру плавления и разлагается непосредственно через испарение при температурах, превышающих около 2000 °C. Расплавы SiC, согласно теоретическим ожиданиям, могут быть образованы только в жестких условиях, что видно из диаграммы бинарной фазы Si-C (рис. 4), что при градиенте температуры и системе раствора. Чем выше C в расплаве Si, тем выше скорость роста, в то время как низкая сила роста C является пересыщением C, которое доминирует при давлении 109 Па и температурах выше 3200 °C. Он может пересыщать, создавая гладкую поверхность [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 градиентом температуры и системой раствора. Чем выше пересыщение C, тем выше скорость роста, в то время как низкое пересыщение C создает гладкую поверхность [22, 36-38].
Рис. 4: Диаграмма бинарной фазы Si-C [40]
Легирование переходными металлами или редкоземельными элементами не только эффективно снижает температуру роста, но и, по-видимому, является единственным способом радикально улучшить растворимость углерода в расплаве Si. Добавление металлов переходной группы, таких как Ti [8, 14-16, 19, 40-52], Cr [29, 30, 43, 50, 53-75], Co [63, 76], Fe [77-80] и т. д. или редкоземельных металлов, таких как Ce [81], Y [82], Sc и т. д., в расплав Si позволяет повысить растворимость углерода до более 50 ат.% в состоянии, близком к термодинамическому равновесию. Более того, метод LPE благоприятен для легирования SiC P-типа, что может быть достигнуто путем легирования Al в
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 больше, чем у аргона) [85]. Скорость миграции и содержание Cr в 4H-SiC схожи в атмосфере He и Ar, доказано, что рост в среде Her приводит к более высокой скорости роста, чем рост в среде Ar из-за большего рассеивания тепла держателем затравки [68]. He препятствует образованию пустот внутри выращенного кристалла и спонтанному зародышеобразованию в растворе, поэтому можно получить гладкую морфологию поверхности [86].
В этой статье представлены разработка, применение и свойства устройств SiC, а также три основных метода выращивания монокристаллов SiC. В следующих разделах были рассмотрены текущие методы роста растворов и соответствующие ключевые параметры. Наконец, был предложен обзор, в котором обсуждались проблемы и будущие работы, касающиеся объемного роста монокристаллов SiC методом растворов.
Время публикации: 01 июля 2024 г.