Ako je znázornené na obr. 3, existujú tri dominantné techniky zamerané na zabezpečenie vysokej kvality a účinnosti monokryštálov SiC: epitaxia v kvapalnej fáze (LPE), fyzikálny transport pár (PVT) a chemická depozícia z pár pri vysokej teplote (HTCVD). PVT je dobre zavedený proces výroby monokryštálov SiC, ktorý sa široko používa u hlavných výrobcov doštičiek.
Všetky tri procesy sa však rýchlo vyvíjajú a inovujú. Zatiaľ nie je možné predpovedať, ktorý proces bude v budúcnosti široko prijatý. V posledných rokoch boli hlásené najmä vysokokvalitné monokryštály SiC vyrobené rastom v roztoku značnou rýchlosťou, objemový rast SiC v kvapalnej fáze vyžaduje nižšiu teplotu ako sublimačný alebo depozičný proces a preukazuje excelentnosť pri výrobe substrátov SiC typu P (tabuľka 3) [33, 34].
Obr. 3: Schéma troch dominantných techník rastu monokryštálov SiC: (a) epitaxia v kvapalnej fáze; (b) fyzikálny transport pár; (c) chemická depozícia pár pri vysokých teplotách
Tabuľka 3: Porovnanie LPE, PVT a HTCNVD pre pestovanie monokryštálov SiC [33, 34]
Rast v roztoku je štandardná technológia na prípravu zložených polovodičov [36]. Od 60. rokov 20. storočia sa výskumníci pokúšajú vyvinúť kryštál v roztoku [37]. Po vyvinutí technológie je možné dobre kontrolovať presýtenie rastového povrchu, čo robí z roztokovej metódy sľubnú technológiu na získanie vysokokvalitných monokryštálových ingotov.
Pre rast monokryštálov SiC v roztoku pochádza zdroj Si z vysoko čistej taveniny Si, zatiaľ čo grafitový téglik slúži na dva účely: ohrievač a zdroj rozpustenej látky C. Monokryštály SiC s väčšou pravdepodobnosťou rastú pri ideálnom stechiometrickom pomere, keď je pomer C a Si blízky 1, čo naznačuje nižšiu hustotu defektov [28]. Pri atmosférickom tlaku však SiC nevykazuje žiadny bod topenia a rozkladá sa priamo odparovaním pri teplotách presahujúcich približne 2 000 °C. Taveniny SiC sa podľa teoretických očakávaní môžu tvoriť iba za silných podmienok, ako je zrejmé z binárneho fázového diagramu Si-C (obr. 4), v závislosti od teplotného gradientu a roztokového systému. Čím vyššie je C v tavenine Si, tým rýchlejšia je rýchlosť rastu, zatiaľ čo nízke C je hnacou silou rastu presýtenie C, ktoré je dominantné pri tlaku 109 Pa a teplotách nad 3 200 °C. Presýtenie môže vytvoriť hladký povrch [22, 36-38]. Pri teplotách medzi 1 400 a 2 800 °C sa rozpustnosť C v tavenine Si pohybuje od 1 at.% do 13 at.%. Hnacou silou rastu je presýtenie C, ktoré je dominantné teplotným gradientom a systémom roztoku. Čím vyššie je presýtenie C, tým rýchlejšia je rýchlosť rastu, zatiaľ čo nízke presýtenie C vytvára hladký povrch [22, 36-38].
Obr. 4: Fázový diagram binárneho Si-C [40]
Dopovanie prechodnými kovmi alebo prvkami vzácnych zemín nielenže účinne znižuje rastovú teplotu, ale zdá sa byť jediným spôsobom, ako drasticky zlepšiť rozpustnosť uhlíka v tavenine Si. Pridanie prechodných kovov, ako je Ti [8, 14-16, 19, 40-52], Cr [29, 30, 43, 50, 53-75], Co [63, 76], Fe [77-80] atď., alebo kovov vzácnych zemín, ako je Ce [81], Y [82], Sc atď., do taveniny Si umožňuje, aby rozpustnosť uhlíka prekročila 50 at. % v stave blízkom termodynamickej rovnováhe. Technika LPE je navyše priaznivá pre dopovanie SiC typu P, čo sa dá dosiahnuť legovaním Al do...
rozpúšťadlo [50, 53, 56, 59, 64, 71-73, 82, 83]. Avšak pridanie Al vedie k zvýšeniu rezistivity monokryštálov SiC typu P [49, 56]. Okrem rastu typu N pri dopovaní dusíkom,
Rast roztoku zvyčajne prebieha v atmosfére inertného plynu. Hoci je hélium (He) drahšie ako argón, mnohí vedci ho uprednostňujú kvôli jeho nižšej viskozite a vyššej tepelnej vodivosti (8-krát vyššej ako argón) [85]. Rýchlosť migrácie a obsah Cr v 4H-SiC sú podobné v atmosfére He a Ar, je dokázané, že rast pod He vedie k vyššej rýchlosti rastu ako rast pod Ar vďaka väčšiemu rozptylu tepla držiakom semien [68]. He bráni tvorbe dutín vo vnútri rastúceho kryštálu a spontánnej nukleácii v roztoku, čím sa dá dosiahnuť hladká povrchová morfológia [86].
Tento článok predstavil vývoj, aplikácie a vlastnosti zariadení SiC a tri hlavné metódy pestovania monokryštálov SiC. V nasledujúcich častiach boli zhodnotené súčasné techniky rastu v roztoku a zodpovedajúce kľúčové parametre. Na záver bol navrhnutý výhľad, ktorý rozoberal výzvy a budúce práce týkajúce sa objemového rastu monokryštálov SiC pomocou roztokovej metódy.
Čas uverejnenia: 1. júla 2024