Như thể hiện trong Hình 3, có ba kỹ thuật chủ đạo nhằm cung cấp tinh thể đơn SiC chất lượng cao và hiệu quả: epitaxy pha lỏng (LPE), vận chuyển hơi vật lý (PVT) và lắng đọng hơi hóa học ở 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. 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 phương pháp tăng trưởng dung dịch với tốc độ đáng kể đã được báo cáo trong những năm gần đây, sự phát triển khối SiC trong pha lỏng yêu cầu nhiệt độ thấp hơn so với quy trình thăng hoa hoặc lắng đọng, và nó thể hiện sự vượt trội trong việc sản xuất chất nền SiC loại P (Bảng 3) [33, 34].
Hình 3: Sơ đồ ba kỹ thuật nuôi cấy tinh thể đơn SiC chủ yếu: (a) epitaxy pha lỏng; (b) vận chuyển hơi vật lý; (c) lắng đọng hơi hóa học ở nhiệt độ cao
Bảng 3: So sánh LPE, PVT và HTCVD để nuôi cấy tinh thể đơn SiC [33, 34]
Sự phát triển dung dịch là một công nghệ tiêu chuẩn để chuẩn bị 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, độ bão hòa quá mức 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 quá trình phát triển dung dịch của tinh thể đơn SiC, nguồn Si bắt nguồn từ dung dịch nóng chảy Si có độ tinh khiết cao trong khi nồi nấu bằng than chì đóng vai trò kép: bộ phận gia nhiệt và nguồn chất tan C. Tinh thể đơn SiC có nhiều khả năng phát triển hơn dưới tỷ lệ stoichiometric 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 dự đoán lý thuyết, dung dịch nóng chảy SiC chỉ có thể được hình thành dưới điều kiện khắc nghiệt, có thể thấy từ giản đồ pha nhị phân Si-C (Hình 4) ở độ dốc nhiệt độ và hệ thống dung dịch. Hàm lượng C trong dung dịch nóng chảy Si càng cao thì tốc độ tăng trưởng càng nhanh, trong khi hàm lượng C thấp thì lực thúc đẩy tăng trưởng là độ bão hòa C vượt mức, chi phối ở áp suất 109 Pa và nhiệt độ trên 3.200 °C. Nó có thể tạo ra bề mặt nhẵn [22, 36-38]. Ở 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 thúc đẩy sự phát triển là độ bão hòa C vượt mức, bị chi phối bởi độ dốc nhiệt độ và hệ thống dung dịch. Độ bão hòa C vượt mức càng cao, tốc độ phát triển càng nhanh, trong khi độ bão hòa C vượt mức thấp tạo ra bề mặt nhẵn [22, 36-38].
Hình 4: Sơ đồ pha nhị phân Si-C [40]
Việc pha tạp các nguyên tố kim loại chuyển tiếp hoặc nguyên tố đất hiếm không chỉ làm giảm hiệu quả nhiệt độ tăng trưởng mà dường như là cách duy nhất để cải thiện đáng kể độ hòa tan của carbon trong Si nóng chảy. 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 Si nóng chảy cho phép độ hòa tan của carbon vượt quá 50 at.% ở trạng thái gần cân bằng nhiệt động. Hơn nữa, kỹ thuật LPE thuận lợi cho việc pha tạp kiểu 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 của tinh thể đơn SiC loại P [49, 56]. Ngoài sự phát triển loại N dưới sự pha tạp nitơ,
Sự phát triển dung dịch thường diễn ra trong môi trường 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 môi trường He và Ar, người ta đã chứng minh rằng sự phát triển trong môi trường He dẫn đến tốc độ tăng trưởng cao hơn so với sự phát triển trong môi trường Ar do khả năng tản nhiệt lớn hơn của giá đỡ mầm [68]. He ngăn cản sự hình thành các lỗ rỗng bên trong tinh thể được nuôi cấy và sự hình thành mầm tự phát trong dung dịch, do đó, có thể thu được hình thái bề mặt mịn [86].
Bài báo này giới thiệu về sự phát triển, ứng dụng và tính chất của các thiết bị SiC, cũng như ba phương pháp chính để nuôi cấy tinh thể đơn SiC. Trong các phần tiếp theo, các kỹ thuật nuôi cấy từ dung dịch hiện nay và các thông số quan trọng tương ứng đã được xem xét. Cuối cùng, bài báo đưa ra một cái nhìn tổng quan về những thách thức và công việc trong tương lai liên quan đến việc nuôi cấy số lượng lớn tinh thể đơn SiC bằng phương pháp dung dịch.
Thời gian đăng bài: 01/07/2024