Şekil 3'te gösterildiği gibi, yüksek kalite ve verimliliğe sahip SiC tek kristali sağlamayı amaçlayan üç baskın teknik vardır: sıvı faz epitaksi (LPE), fiziksel buhar taşınımı (PVT) ve yüksek sıcaklıkta kimyasal buhar biriktirme (HTCVD). PVT, SiC tek kristali üretmek için iyi bilinen ve büyük wafer üreticilerinde yaygın olarak kullanılan bir işlemdir.
Ancak, her üç süreç de hızla gelişmekte ve yenilik yapmaktadır. Gelecekte hangi sürecin yaygın olarak benimseneceği henüz kesin olarak söylenemez. Özellikle, son yıllarda çözelti büyümesiyle önemli bir oranda üretilen yüksek kaliteli SiC tek kristali rapor edilmiştir; sıvı fazda SiC kütle büyümesi, süblimasyon veya çökelme işlemine göre daha düşük bir sıcaklık gerektirir ve P tipi SiC alt tabakalarının üretiminde mükemmellik göstermektedir (Tablo 3) [33, 34].
Şekil 3: Üç baskın SiC tek kristal büyüme tekniğinin şematik gösterimi: (a) sıvı faz epitaksi; (b) fiziksel buhar taşınımı; (c) yüksek sıcaklıkta kimyasal buhar biriktirme
Tablo 3: SiC tek kristallerinin yetiştirilmesi için LPE, PVT ve HTCVD'nin karşılaştırılması [33, 34]
Çözeltiyle büyütme, bileşik yarı iletkenlerin hazırlanması için standart bir teknolojidir [36]. 1960'lardan beri araştırmacılar çözelti içinde kristal geliştirmeye çalışmaktadır [37]. Teknoloji geliştirildikten sonra, büyüme yüzeyinin aşırı doygunluğu iyi bir şekilde kontrol edilebilmektedir; bu da çözelti yöntemini yüksek kaliteli tek kristal külçeler elde etmek için umut vadeden bir teknoloji haline getirmektedir.
SiC tek kristalinin çözeltiyle büyütülmesi için, Si kaynağı yüksek saflıkta Si eriyiğinden gelirken, grafit pota iki amaca hizmet eder: ısıtıcı ve C çözücü kaynağı. SiC tek kristallerinin, C ve Si oranı 1'e yakın olduğunda ideal stokiyometrik oranda büyüme olasılığı daha yüksektir, bu da daha düşük bir kusur yoğunluğunu gösterir [28]. Bununla birlikte, atmosferik basınçta, SiC erime noktası göstermez ve yaklaşık 2000 °C'nin üzerindeki sıcaklıklarda doğrudan buharlaşma yoluyla ayrışır. Teorik beklentilere göre, SiC eriyikleri yalnızca şiddetli koşullar altında, sıcaklık gradyanı ve çözelti sistemi ile oluşturulabilir. Si eriyiğindeki C miktarı %1 ila %13 arasında değişir. Büyümeyi yönlendiren etken, 109 Pa basınç ve 3200 °C'nin üzerindeki sıcaklıklarda baskın olan C aşırı doygunluğudur. Aşırı doygunluk pürüzsüz bir yüzey oluşturur [22, 36-38]. 1400 ile 2800 °C arasındaki sıcaklıklarda, Si eriyiğindeki C'nin çözünürlüğü %1 ila %13 arasında değişir. Büyümenin itici gücü, sıcaklık gradyanı ve çözelti sistemi tarafından belirlenen C aşırı doygunluğudur. C aşırı doygunluğu ne kadar yüksekse, büyüme hızı o kadar hızlıdır, düşük C aşırı doygunluğu ise pürüzsüz bir yüzey oluşturur [22, 36-38].
Şekil 4: Si-C ikili faz diyagramı [40]
Geçiş metal elementleri veya nadir toprak elementlerinin katkılanması, yalnızca büyüme sıcaklığını etkili bir şekilde düşürmekle kalmaz, aynı zamanda Si eriyiğinde karbon çözünürlüğünü önemli ölçüde iyileştirmenin tek yolu gibi görünmektedir. Ti [8, 14-16, 19, 40-52], Cr [29, 30, 43, 50, 53-75], Co [63, 76], Fe [77-80] vb. gibi geçiş grubu metallerinin veya Ce [81], Y [82], Sc vb. gibi nadir toprak metallerinin Si eriyiğine eklenmesi, termodinamik dengeye yakın bir durumda karbon çözünürlüğünün %50'nin üzerine çıkmasına olanak tanır. Dahası, LPE tekniği, Al'nin alaşımlanmasıyla elde edilebilen SiC'nin P tipi katkılanması için elverişlidir.
çözücü [50, 53, 56, 59, 64, 71-73, 82, 83]. Bununla birlikte, Al'nin dahil edilmesi, P tipi SiC tek kristallerinin direncinde bir artışa yol açar [49, 56]. Azot katkısı altında N tipi büyümenin yanı sıra,
Çözelti büyümesi genellikle inert gaz atmosferinde gerçekleşir. Helyum (He), argondan daha pahalı olmasına rağmen, daha düşük viskozitesi ve daha yüksek termal iletkenliği (argonun 8 katı) nedeniyle birçok bilim insanı tarafından tercih edilmektedir [85]. 4H-SiC'deki göç oranı ve Cr içeriği He ve Ar atmosferi altında benzerdir; He altında büyümenin, tohum tutucunun daha büyük ısı dağılımı nedeniyle Ar altında büyümeye göre daha yüksek bir büyüme oranıyla sonuçlandığı kanıtlanmıştır [68]. He, büyütülen kristal içindeki boşluk oluşumunu ve çözeltideki kendiliğinden çekirdeklenmeyi engeller, böylece pürüzsüz bir yüzey morfolojisi elde edilebilir [86].
Bu makalede, SiC cihazlarının geliştirilmesi, uygulamaları ve özellikleri ile SiC tek kristalinin yetiştirilmesi için kullanılan üç ana yöntem tanıtılmıştır. Sonraki bölümlerde, mevcut çözeltiyle büyütme teknikleri ve ilgili temel parametreler incelenmiştir. Son olarak, çözelti yöntemiyle SiC tek kristallerinin toplu olarak büyütülmesine ilişkin zorluklar ve gelecekteki çalışmalar ele alınmıştır.
Yayın tarihi: 01.07.2024