Như thể hiện trong Hình 3, có ba kỹ thuật chủ đạo nhằm mục đích cung cấp tinh thể đơn SiC với chất lượng và hiệu quả cao: epitaxy pha lỏng (LPE), vận chuyển hơi vật lý (PVT) và lắng đọng hơi hóa học nhiệt độ cao (HTCVD). PVT là một quy trình đã được thiết lập tốt để sản xuất tinh thể đơn SiC, được sử dụng rộng rãi trong các nhà sản xuất wafer lớn.
Tuy nhiên, cả ba quy trình đều đang phát triển và đổi mới nhanh chóng. Hiện vẫn chưa thể khẳng định quy trình nào sẽ được áp dụng rộng rãi trong tương lai. Đặc biệt, tinh thể đơn SiC chất lượng cao được sản xuất bằng cách tăng trưởng dung dịch với tốc độ đáng kể đã được báo cáo trong những năm gần đây, sự tăng trưởng khối SiC trong pha lỏng đòi hỏi nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ của quá trình thăng hoa hoặc lắng đọng và nó chứng tỏ sự xuất sắc trong việc sản xuất chất nền SiC loại P (Bảng 3) [33, 34].
Hình 3: Sơ đồ của ba kỹ thuật phát triển tinh thể đơn SiC chủ yếu: (a) epitaxy pha lỏng; (b) vận chuyển hơi vật lý; (c) lắng đọng hơi hóa học nhiệt độ cao
Bảng 3: So sánh LPE, PVT và HTCVD để phát triển tinh thể đơn SiC [33, 34]
Sự phát triển dung dịch là một công nghệ tiêu chuẩn để chế tạo chất bán dẫn hợp chất [36]. Từ những năm 1960, các nhà nghiên cứu đã cố gắng phát triển tinh thể trong dung dịch [37]. Khi công nghệ được phát triển, tình trạng quá bão hòa của bề mặt phát triển có thể được kiểm soát tốt, điều này làm cho phương pháp dung dịch trở thành một công nghệ đầy hứa hẹn để thu được các thỏi tinh thể đơn chất lượng cao.
Đối với sự phát triển dung dịch của tinh thể đơn SiC, nguồn Si bắt nguồn từ chất nóng chảy Si có độ tinh khiết cao trong khi nồi nấu chảy than chì phục vụ mục đích kép: nguồn chất gia nhiệt và chất tan C. Các tinh thể đơn SiC có nhiều khả năng phát triển theo tỷ lệ thành phần hóa học lý tưởng khi tỷ lệ C và Si gần bằng 1, cho thấy mật độ khuyết tật thấp hơn [28]. Tuy nhiên, ở áp suất khí quyển, SiC không có điểm nóng chảy và phân hủy trực tiếp thông qua quá trình bay hơi ở nhiệt độ vượt quá khoảng 2.000 °C. Theo kỳ vọng về mặt lý thuyết, SiC nóng chảy chỉ có thể được hình thành trong điều kiện khắc nghiệt có thể thấy từ sơ đồ pha nhị phân Si-C (Hình 4) rằng ở građien nhiệt độ và hệ dung dịch. C càng cao trong chất nóng chảy Si thay đổi từ 1at.% đến 13at.%. Quá trình siêu bão hòa C thúc đẩy, tốc độ phát triển càng nhanh, trong khi lực C thấp của quá trình phát triển là quá bão hòa C bị chi phối bởi áp suất 109 Pa và nhiệt độ trên 3.200 °C. Nó có thể quá bão hòa tạo ra một bề mặt nhẵn [22, 36-38]. Nhiệt độ từ 1.400 đến 2.800 °C, độ hòa tan của C trong Si nóng chảy thay đổi từ 1at.% đến 13at.%. Động lực của sự tăng trưởng là quá bão hòa C bị chi phối bởi gradient nhiệt độ và hệ thống dung dịch. Quá bão hòa C càng cao, tốc độ tăng trưởng càng nhanh, trong khi quá bão hòa C thấp tạo ra một bề mặt nhẵn [22, 36-38].
Hình 4: Biểu đồ pha nhị phân Si-C [40]
Việc pha tạp các nguyên tố kim loại chuyển tiếp hoặc các nguyên tố đất hiếm không chỉ làm giảm hiệu quả nhiệt độ tăng trưởng mà còn có vẻ là cách duy nhất để cải thiện đáng kể độ hòa tan của cacbon trong hỗn hợp Si. Việc bổ sung các kim loại nhóm chuyển tiếp, chẳng hạn như Ti [8, 14-16, 19, 40-52], Cr [29, 30, 43, 50, 53-75], Co [63, 76], Fe [77-80], v.v. hoặc các kim loại đất hiếm, chẳng hạn như Ce [81], Y [82], Sc, v.v. vào hỗn hợp Si cho phép độ hòa tan của cacbon vượt quá 50at.% ở trạng thái gần với cân bằng nhiệt động lực học. Hơn nữa, kỹ thuật LPE thuận lợi cho việc pha tạp loại P của SiC, có thể đạt được bằng cách hợp kim hóa Al vào
dung môi [50, 53, 56, 59, 64, 71-73, 82, 83]. Tuy nhiên, việc kết hợp Al dẫn đến sự gia tăng điện trở suất của tinh thể đơn SiC loại P [49, 56]. Ngoài sự phát triển loại N dưới sự pha tạp nitơ,
Sự phát triển của dung dịch thường diễn ra trong bầu khí quyển khí trơ. Mặc dù heli (He) đắt hơn argon, nhưng nó được nhiều học giả ưa chuộng do độ nhớt thấp hơn và độ dẫn nhiệt cao hơn (gấp 8 lần argon) [85]. Tốc độ di chuyển và hàm lượng Cr trong 4H-SiC tương tự nhau trong bầu khí quyển He và Ar, đã được chứng minh rằng sự phát triển trong Heres tạo ra tốc độ phát triển cao hơn sự phát triển trong Ar do sự tản nhiệt lớn hơn của giá đỡ hạt giống [68]. He cản trở sự hình thành các lỗ rỗng bên trong tinh thể phát triển và sự hình thành hạt tự phát trong dung dịch, do đó, có thể thu được hình thái bề mặt nhẵn [86].
Bài báo này giới thiệu về sự phát triển, ứng dụng và tính chất của các thiết bị SiC, và ba phương pháp chính để phát triển tinh thể đơn SiC. Trong các phần sau, các kỹ thuật phát triển dung dịch hiện tại và các thông số chính tương ứng đã được xem xét. Cuối cùng, một triển vọng đã được đề xuất thảo luận về những thách thức và công việc trong tương lai liên quan đến sự phát triển khối lượng lớn của tinh thể đơn SiC thông qua phương pháp dung dịch.
Thời gian đăng: 01-07-2024