Mbinu tatu kuu za ukuaji wa fuwele za SiC

Kama inavyoonyeshwa kwenye Mchoro 3, kuna mbinu tatu kuu zinazolenga kutoa fuwele moja ya SiC yenye ubora wa juu na ufanisi: epitaksi ya awamu ya kioevu (LPE), usafirishaji wa mvuke wa kimwili (PVT), na utuaji wa mvuke wa kemikali wa halijoto ya juu (HTCVD). PVT ni mchakato ulioanzishwa vizuri wa kutengeneza fuwele moja ya SiC, ambayo hutumika sana katika watengenezaji wakuu wa wafer.

Hata hivyo, michakato yote mitatu inabadilika haraka na kuwa bunifu. Bado haiwezekani kuamua ni mchakato gani utakaotumika sana katika siku zijazo. Hasa, fuwele moja ya SiC yenye ubora wa juu inayozalishwa na ukuaji wa myeyusho kwa kiwango kikubwa imeripotiwa katika miaka ya hivi karibuni, ukuaji wa wingi wa SiC katika awamu ya kioevu unahitaji halijoto ya chini kuliko ile ya mchakato wa usablimishaji au utuaji, na inaonyesha ubora katika kutengeneza substrates za SiC aina ya P (Jedwali 3) [33, 34].

Mchoro 3: Mchoro wa mbinu tatu kuu za ukuaji wa fuwele moja ya SiC: (a) epitaksi ya awamu ya kioevu; (b) usafirishaji wa mvuke halisi; (c) utuaji wa mvuke wa kemikali katika halijoto ya juu

Jedwali la 3: Ulinganisho wa LPE, PVT na HTCVD kwa ajili ya kukuza fuwele moja za SiC [33, 34]

Ukuaji wa suluhisho ni teknolojia ya kawaida ya kuandaa semiconductors kiwanja [36]. Tangu miaka ya 1960, watafiti wamejaribu kutengeneza fuwele katika suluhisho [37]. Mara tu teknolojia hiyo inapotengenezwa, uenezaji wa uso wa ukuaji unaweza kudhibitiwa vizuri, ambayo inafanya njia ya suluhisho kuwa teknolojia inayoahidi ya kupata ingots za fuwele moja zenye ubora wa juu.

Kwa ukuaji wa myeyusho wa fuwele moja ya SiC, chanzo cha Si kinatokana na kuyeyuka kwa Si safi sana huku kinu cha grafiti kikihudumia madhumuni mawili: hita na chanzo cha kuyeyuka kwa C. Fuwele moja za SiC zina uwezekano mkubwa wa kukua chini ya uwiano bora wa stoichiometric wakati uwiano wa C na Si uko karibu na 1, ikionyesha msongamano mdogo wa kasoro [28]. Hata hivyo, katika shinikizo la angahewa, SiC haionyeshi kiwango cha kuyeyuka na hutengana moja kwa moja kupitia uvukizi katika halijoto zinazozidi karibu 2,000 °C. Miyeyuko ya SiC, kulingana na matarajio ya kinadharia, inaweza tu kuundwa chini ya ukali unaoonekana kutoka kwa mchoro wa awamu ya binary ya Si-C (Mchoro 4) kwamba kwa gradient ya halijoto na mfumo wa myeyusho. Kadiri C inavyokuwa juu katika kuyeyuka kwa Si hutofautiana kutoka 1at.% hadi 13at.%. Kujaa kwa C inayoendesha, ndivyo kiwango cha ukuaji kinavyoongezeka kwa kasi, huku nguvu ya chini ya C ya ukuaji ikiwa ni kuongezeka kwa C ambayo ina shinikizo kubwa la 109 Pa na halijoto zaidi ya 3,200 °C. Inaweza kujaa zaidi hutoa uso laini [22, 36-38]. Halijoto kati ya 1,400 na 2,800 °C, umumunyifu wa C katika kuyeyuka kwa Si hutofautiana kutoka 1at.% hadi 13at.%. Nguvu inayoendesha ukuaji ni kujaa zaidi kwa C ambayo inaongozwa na gradient ya joto na mfumo wa myeyusho. Kadiri kujaa zaidi kwa C kunavyokuwa juu, ndivyo kiwango cha ukuaji kinavyoongezeka kwa kasi, huku kujaa zaidi kwa C chini kunavyotoa uso laini [22, 36-38].

Mchoro 4: Mchoro wa awamu ya binary ya Si-C [40]

Kutumia viambato vya metali mpito au vipengele vya ardhi adimu si tu kwamba hupunguza joto la ukuaji kwa ufanisi lakini inaonekana kuwa njia pekee ya kuboresha kwa kiasi kikubwa umumunyifu wa kaboni katika kuyeyuka kwa Si. Kuongezwa kwa metali za kikundi cha mpito, kama vile Ti [8, 14-16, 19, 40-52], Cr [29, 30, 43, 50, 53-75], Co [63, 76], Fe [77-80], nk. au metali adimu za ardhi, kama vile Ce [81], Y [82], Sc, nk. kwenye kuyeyuka kwa Si huruhusu umumunyifu wa kaboni kuzidi 50at.% katika hali iliyo karibu na usawa wa thermodynamic. Zaidi ya hayo, mbinu ya LPE inafaa kwa kutumia viambato vya aina ya P vya SiC, ambavyo vinaweza kupatikana kwa kuchanganya Al katika
kiyeyusho [50, 53, 56, 59, 64, 71-73, 82, 83]. Hata hivyo, kuingizwa kwa Al husababisha ongezeko la upinzani wa fuwele moja za P-aina ya SiC [49, 56]. Mbali na ukuaji wa aina ya N chini ya doping ya nitrojeni,

Ukuaji wa myeyusho kwa ujumla huendelea katika angahewa ya gesi isiyo na gesi. Ingawa heliamu (He) ni ghali zaidi kuliko argon, inapendelewa na wasomi wengi kutokana na mnato wake mdogo na upitishaji wa joto wa juu (mara 8 ya argon) [85]. Kiwango cha uhamiaji na kiwango cha Cr katika 4H-SiC ni sawa chini ya angahewa ya He na Ar, imethibitishwa kuwa ukuaji chini ya Heresults katika kiwango cha juu cha ukuaji kuliko ukuaji chini yaAr kutokana na utengamano mkubwa wa joto wa mmiliki wa mbegu [68]. Huzuia uundaji wa utupu ndani ya fuwele iliyokua na nucleation ya hiari katika myeyusho, basi, mofolojia ya uso laini inaweza kupatikana [86].

Karatasi hii ilianzisha ukuzaji, matumizi, na sifa za vifaa vya SiC, na mbinu tatu kuu za kukuza fuwele moja ya SiC. Katika sehemu zifuatazo, mbinu za ukuaji wa suluhisho za sasa na vigezo muhimu vinavyolingana vilipitiwa. Hatimaye, mtazamo ulipendekezwa ambao ulijadili changamoto na kazi za baadaye kuhusu ukuaji mkubwa wa fuwele moja ya SiC kupitia njia ya suluhisho.