Som visas i figur 3 finns det tre dominerande tekniker som syftar till att ge SiC-enkristaller med hög kvalitet och effektivitet: vätskefasepitaxi (LPE), fysisk ångtransport (PVT) och högtemperaturkemisk ångdeponering (HTCVD). PVT är en väletablerad process för att producera SiC-enkristaller, som används i stor utsträckning hos stora wafertillverkare.
Alla tre processerna utvecklas och förnyas snabbt. Det är ännu inte möjligt att avgöra vilken process som kommer att bli allmänt använd i framtiden. Särskilt högkvalitativa SiC-enkristaller producerade genom lösningstillväxt med en betydande hastighet har rapporterats under senare år. SiC-bulktillväxt i vätskefas kräver en lägre temperatur än sublimerings- eller deponeringsprocessen, och det visar på utmärkta egenskaper vid framställning av P-typ SiC-substrat (tabell 3) [33, 34].
Fig. 3: Schematisk bild av tre dominerande SiC-enkristalltillväxttekniker: (a) vätskefasepitaxi; (b) fysisk ångtransport; (c) kemisk ångdeponering vid hög temperatur
Tabell 3: Jämförelse av LPE, PVT och HTCVD för odling av SiC-enkristaller [33, 34]
Lösningstillväxt är en standardteknik för att framställa sammansatta halvledare [36]. Sedan 1960-talet har forskare försökt utveckla en kristall i lösning [37]. När tekniken väl är utvecklad kan övermättnaden av tillväxtytan kontrolleras väl, vilket gör lösningsmetoden till en lovande teknik för att erhålla högkvalitativa enkristalltackor.
För lösningstillväxt av SiC-enkristaller kommer Si-källan från en mycket ren Si-smälta medan grafitdegeln tjänar dubbla syften: värme och C-källa för lösta ämnen. SiC-enkristaller är mer benägna att växa under det ideala stökiometriska förhållandet när förhållandet mellan C och Si är nära 1, vilket indikerar en lägre defektdensitet [28]. Vid atmosfärstryck uppvisar dock SiC ingen smältpunkt och sönderfaller direkt via förångning vid temperaturer som överstiger cirka 2 000 °C. SiC-smältor kan, enligt teoretiska förväntningar, endast bildas under kraftiga förändringar, vilket framgår av Si-C binära fasdiagram (Fig. 4), av temperaturgradient och lösningssystem. Ju högre C i Si-smältan varierar från 1 at.% till 13 at.%. Den drivande C-övermättnaden är, desto snabbare är tillväxthastigheten, medan låg C-kraft för tillväxten är C-övermättnaden som domineras av tryck på 109 Pa och temperaturer över 3 200 °C. Övermättnad kan ge en jämn yta [22, 36-38]. Vid temperaturer mellan 1 400 och 2 800 °C varierar lösligheten av C i Si-smältan från 1 at.% till 13 at.%. Drivkraften bakom tillväxten är C-övermättnaden som domineras av temperaturgradienten och lösningssystemet. Ju högre C-övermättnad, desto snabbare tillväxthastighet, medan låg C-övermättnad ger en jämn yta [22, 36-38].
Bild 4: Binärt fasdiagram för Si-C [40]
Dopning av övergångsmetaller eller sällsynta jordartsmetaller sänker inte bara effektivt tillväxttemperaturen utan verkar vara det enda sättet att drastiskt förbättra kollösligheten i Si-smältan. Tillsatsen av övergångsgruppsmetaller, såsom Ti [8, 14-16, 19, 40-52], Cr [29, 30, 43, 50, 53-75], Co [63, 76], Fe [77-80] etc. eller sällsynta jordartsmetaller, såsom Ce [81], Y [82], Sc, etc. till Si-smältan gör att kollösligheten kan överstiga 50 at.% i ett tillstånd nära termodynamisk jämvikt. Dessutom är LPE-tekniken gynnsam för P-typdopning av SiC, vilket kan uppnås genom att legera Al in i
lösningsmedel [50, 53, 56, 59, 64, 71-73, 82, 83]. Införandet av Al leder dock till en ökning av resistiviteten hos P-typ SiC-enkristaller [49, 56]. Förutom tillväxt av N-typ under kvävedopning,
Lösningstillväxt sker generellt i en inert gasatmosfär. Även om helium (He) är dyrare än argon, föredras det av många forskare på grund av dess lägre viskositet och högre värmeledningsförmåga (8 gånger argon) [85]. Migrationshastigheten och Cr-halten i 4H-SiC är likartade under He- och Ar-atmosfär, och det är bevisat att tillväxt under Here resulterar i en högre tillväxthastighet än tillväxt under Ar på grund av den större värmeavledningen från fröhållaren [68]. He hindrar hålrumsbildning inuti den odlade kristallen och spontan kärnbildning i lösningen, varigenom en jämn ytmorfologi kan erhållas [86].
Denna artikel introducerade utvecklingen, tillämpningarna och egenskaperna hos SiC-komponenter, samt de tre huvudmetoderna för att odla SiC-enkristaller. I följande avsnitt granskades de nuvarande teknikerna för lösningstillväxt och motsvarande nyckelparametrar. Slutligen föreslogs en perspektiv som diskuterade utmaningarna och framtida arbeten gällande bulkolvbildning av SiC-enkristaller via lösningsmetoden.
Publiceringstid: 1 juli 2024