Як показано на рис. 3, існують три домінуючі методи, спрямовані на забезпечення високої якості та ефективності монокристалів SiC: рідкофазна епітаксія (LPE), фізичне транспортування з парової фази (PVT) та високотемпературне хімічне осадження з парової фази (HTCVD). PVT – це добре зарекомендував себе процес виробництва монокристалів SiC, який широко використовується великими виробниками пластин.
Однак усі три процеси швидко розвиваються та впроваджуються інновації. Поки що неможливо передбачити, який саме процес буде широко впроваджений у майбутньому. Зокрема, в останні роки повідомлялося про високоякісні монокристали SiC, отримані шляхом вирощування в розчині зі значною швидкістю, об'ємне зростання SiC у рідкій фазі вимагає нижчої температури, ніж процес сублімації або осадження, і це демонструє чудову якість у виробництві підкладок SiC P-типу (Таблиця 3) [33, 34].
Рис. 3: Схема трьох основних методів вирощування монокристалів SiC: (a) рідкофазна епітаксія; (b) фізичне перенесення парової фази; (c) високотемпературне хімічне осадження з парової фази
Таблиця 3: Порівняння методів LPE, PVT та HTCNVD для вирощування монокристалів SiC [33, 34]
Вирощування в розчині є стандартною технологією для отримання складних напівпровідників [36]. З 1960-х років дослідники намагалися розробити кристал у розчині [37]. Після розробки технології перенасичення поверхні росту можна добре контролювати, що робить метод розчину перспективною технологією для отримання високоякісних монокристалічних злитків.
Для вирощування монокристалів SiC у розчині джерелом Si є високочистий розплав Si, тоді як графітовий тигель виконує подвійну функцію: нагрівач та джерело розчиненої речовини C. Монокристали SiC частіше ростуть за ідеального стехіометричного співвідношення, коли співвідношення C та Si близьке до 1, що вказує на нижчу щільність дефектів [28]. Однак за атмосферного тиску SiC не має точки плавлення та розкладається безпосередньо шляхом випаровування за температур, що перевищують близько 2000 °C. Розплави SiC, згідно з теоретичними очікуваннями, можуть утворюватися лише за сильних температур, як видно з бінарної фазової діаграми Si-C (рис. 4), залежно від градієнта температури та системи розчину. Чим вище C у розплаві Si, тим швидше відбувається зростання, тим швидше відбувається зростання, тоді як низька сила росту - пересичення C, яке домінує за тиску 109 Па та температур вище 3200 °C. Перенасичення може створювати гладку поверхню [22, 36-38]. За температур від 1400 до 2800 °C розчинність C у розплаві Si коливається від 1 ат.% до 13 ат.%. Рушійною силою зростання є перенасичення C, яке переважно зумовлене градієнтом температури та системою розчинів. Чим вище перенасичення C, тим швидша швидкість зростання, тоді як низьке перенасичення C створює гладку поверхню [22, 36-38].
Рис. 4: Бінарна фазова діаграма Si-C [40]
Легування перехідними металами або рідкісноземельними елементами не тільки ефективно знижує температуру росту, але й, здається, є єдиним способом значно покращити розчинність вуглецю в розплаві Si. Додавання металів перехідної групи, таких як Ti [8, 14-16, 19, 40-52], Cr [29, 30, 43, 50, 53-75], Co [63, 76], Fe [77-80] тощо, або рідкісноземельних металів, таких як Ce [81], Y [82], Sc тощо, до розплаву Si дозволяє розчинності вуглецю перевищувати 50 ат.% у стані, близькому до термодинамічної рівноваги. Крім того, техніка рідиннофазного легування (LPE) є сприятливою для P-типу легування SiC, чого можна досягти шляхом легування Al у
розчинник [50, 53, 56, 59, 64, 71-73, 82, 83]. Однак, включення Al призводить до збільшення питомого опору монокристалів SiC P-типу [49, 56]. Окрім росту N-типу при легуванні азотом,
Ріст у розчині зазвичай відбувається в атмосфері інертного газу. Хоча гелій (He) дорожчий за аргон, багато вчених віддають йому перевагу через нижчу в'язкість та вищу теплопровідність (у 8 разів вища за аргон) [85]. Швидкість міграції та вміст Cr у 4H-SiC подібні в атмосфері He та Ar, доведено, що ріст під He призводить до вищої швидкості росту, ніж ріст під Ar, завдяки більшій тепловіддачі тримача зародка [68]. He перешкоджає утворенню пустот всередині вирощеного кристала та спонтанному зародженню в розчині, завдяки чому можна отримати гладку морфологію поверхні [86].
У цій статті представлено розробку, застосування та властивості пристроїв на основі SiC, а також три основні методи вирощування монокристалів SiC. У наступних розділах було розглянуто сучасні методи вирощування з розчину та відповідні ключові параметри. Нарешті, було запропоновано перспективу, яка обговорює проблеми та майбутні роботи щодо об'ємного вирощування монокристалів SiC методом розчину.
Час публікації: 01 липня 2024 р.