Kot je prikazano na sliki 3, obstajajo tri prevladujoče tehnike, katerih cilj je zagotoviti visoko kakovost in učinkovitost monokristala SiC: epitaksija v tekoči fazi (LPE), fizični transport pare (PVT) in visokotemperaturno kemično nanašanje pare (HTCVD). PVT je dobro uveljavljen postopek za proizvodnjo monokristala SiC, ki se pogosto uporablja pri večjih proizvajalcih rezin.
Vendar se vsi trije postopki hitro razvijajo in inovirajo. Zaenkrat še ni mogoče napovedati, kateri postopek bo v prihodnosti široko sprejet. Predvsem so v zadnjih letih poročali o visokokakovostnih monokristalih SiC, ki so nastali z rastjo v raztopini s precejšnjo hitrostjo, rast SiC v razsutem stanju v tekoči fazi zahteva nižjo temperaturo kot pri sublimaciji ali nanašanju in dokazuje odličnost pri izdelavi substratov SiC tipa P (tabela 3) [33, 34].
Slika 3: Shematični prikaz treh prevladujočih tehnik rasti monokristalov SiC: (a) epitaksija v tekoči fazi; (b) fizični transport pare; (c) visokotemperaturno kemično nanašanje pare
Tabela 3: Primerjava LPE, PVT in HTCNVD za gojenje monokristalov SiC [33, 34]
Rast v raztopini je standardna tehnologija za pripravo sestavljenih polprevodnikov [36]. Raziskovalci so že od šestdesetih let prejšnjega stoletja poskušali razviti kristal v raztopini [37]. Ko je tehnologija razvita, je mogoče prenasičenost rastne površine dobro nadzorovati, zaradi česar je metoda v raztopini obetavna tehnologija za pridobivanje visokokakovostnih monokristalnih ingotov.
Za rast monokristala SiC v raztopini vir Si izhaja iz visoko čiste taline Si, medtem ko grafitni lonček služi dvojnemu namenu: grelniku in viru topljenca C. Monokristali SiC bolj verjetno rastejo pod idealnim stehiometričnim razmerjem, ko je razmerje med C in Si blizu 1, kar kaže na nižjo gostoto napak [28]. Vendar pa pri atmosferskem tlaku SiC ne kaže tališča in se razgradi neposredno z uparjanjem pri temperaturah nad 2000 °C. Taline SiC se po teoretičnih pričakovanjih lahko tvorijo le pod močnimi temperaturnimi gradienti in sistemom raztopine, kar je razvidno iz binarnega faznega diagrama Si-C (slika 4). Višja kot je vrednost C v talini Si, ki se giblje od 1 at.% do 13 at.%. Gonilna sila prenasičenosti C je hitrejša rast, medtem ko je nizka vrednost C sila rasti prenasičenost C, ki prevladuje pri tlaku 109 Pa in temperaturah nad 3200 °C. Prenasičenost lahko ustvari gladko površino [22, 36–38]. Pri temperaturah med 1400 in 2800 °C se topnost C v talini Si giblje od 1 at. % do 13 at. %. Gonilna sila rasti je prenasičenost C, ki jo prevladujeta temperaturni gradient in sistem raztopine. Višja kot je prenasičenost C, hitrejša je rast, medtem ko nizka prenasičenost C ustvari gladko površino [22, 36–38].
Slika 4: Binarni fazni diagram Si-C [40]
Dopiranje s prehodnimi kovinami ali redkozemeljskimi elementi ne le učinkovito zniža temperaturo rasti, ampak se zdi tudi edini način za drastično izboljšanje topnosti ogljika v talini Si. Dodatek prehodnih kovin, kot so Ti [8, 14-16, 19, 40-52], Cr [29, 30, 43, 50, 53-75], Co [63, 76], Fe [77-80] itd., ali redkozemeljskih kovin, kot so Ce [81], Y [82], Sc itd., v talino Si omogoča, da topnost ogljika preseže 50 at. % v stanju blizu termodinamičnega ravnovesja. Poleg tega je tehnika LPE ugodna za dopiranje SiC tipa P, kar je mogoče doseči z legiranjem Al v ...
topilo [50, 53, 56, 59, 64, 71–73, 82, 83]. Vendar pa vključitev Al vodi do povečanja upornosti monokristalov SiC tipa P [49, 56]. Poleg rasti tipa N pri dopiranju z dušikom,
Rast v raztopini običajno poteka v atmosferi inertnega plina. Čeprav je helij (He) dražji od argona, ga mnogi znanstveniki dajejo prednost zaradi nižje viskoznosti in višje toplotne prevodnosti (8-krat večja od argona) [85]. Hitrost migracije in vsebnost Cr v 4H-SiC sta podobni v atmosferi He in Ar, dokazano pa je, da rast pod He povzroči višjo hitrost rasti kot rast pod Ar zaradi večjega odvajanja toplote nosilca semena [68]. He ovira nastanek praznin znotraj vzgojenega kristala in spontano nukleacijo v raztopini, zato je mogoče doseči gladko površinsko morfologijo [86].
V tem članku so predstavljeni razvoj, uporaba in lastnosti SiC naprav ter tri glavne metode za gojenje monokristalov SiC. V naslednjih razdelkih so bile pregledane trenutne tehnike gojenja v raztopini in ustrezni ključni parametri. Na koncu je bil predlagan pregled izzivov in prihodnjih del v zvezi z rastjo monokristalov SiC v razsutem stanju z metodo v raztopini.
Čas objave: 1. julij 2024