Visualizzazione della tecnologia di crescita del singolo cristallo di SiC

Visualizzazione della tecnologia di crescita del singolo cristallo di SiC

1Introduzione

I singoli cristalli di carburo di silicio (SiC) hanno attirato l'attenzione negli ultimi anni a causa delle loro prestazioni superiori a temperature elevate, resistenti all'usura,e applicazioni di dispositivi elettronici ad alta potenzaTra i vari metodi di preparazione, il metodo di sublimazione (Physical Vapor Transport, PVT) è attualmente il metodo primario per la coltivazione di singoli cristalli di SiC, sebbene altre potenziali tecniche di crescita,come la crescita in fase liquida e la deposizione di vapore chimico ad alta temperatura (CVD)Questo articolo fornirà una panoramica dei metodi di crescita dei singoli cristalli di SiC, dei loro vantaggi e delle loro sfide, e discuterà del metodo RAF come tecnica avanzata per la riduzione dei difetti.

2Principi e applicazioni del metodo di sublimazione

Poiché non esiste un SiC in fase liquida con un rapporto Si/C di 1:1 sotto pressione normale,il metodo di crescita a fusione comunemente utilizzato per la crescita di singoli cristalli di silicio non può essere applicato direttamente alla produzione di cristalli di SiC a granel;Questo metodo utilizza polvere di SiC come materia prima, collocata in un crogiolo di grafite, e un substrato di SiC come cristallo di seme.Un gradiente di temperaturaLa temperatura complessiva è in genere mantenuta tra 2000°C e 2500°C.

La figura 1 mostra uno schema della crescita di singoli cristalli di SiC utilizzando il metodo Lely modificato.a temperature superiori a 2000°C all'interno di un crogiolo di grafiteQueste molecole vengono quindi trasportate sulla superficie del cristallo di seme in un'atmosfera inerte (tipicamente argon a bassa pressione).Gli atomi si diffondono sulla superficie del cristallo di seme e si incorporano nei siti di crescitaL'azoto può essere introdotto durante il doping di tipo n.

3. Vantaggi e sfide del metodo di sublimazione

Il metodo di sublimazione è attualmente ampiamente utilizzato per la preparazione di singoli cristalli di SiC.il tasso di crescita dei cristalli di SiC è relativamente lentoMentre la qualità migliora gradualmente, i cristalli contengono ancora un gran numero di lussazioni e altri difetti.Attraverso l'ottimizzazione continua del gradiente di temperatura e del trasporto dei materiali, alcuni difetti sono stati efficacemente controllati.

4Metodo di crescita in fase liquida

Tuttavia, poiché la solubilità del carbonio in un solvente al silicio è estremamente bassa, la sua solubilità è molto bassa.elementi quali il titanio e il cromo sono generalmente aggiunti al solvente per aumentare la solubilità del carbonioIl carbonio viene fornito da un crogiolo di grafite e la temperatura sulla superficie del cristallo seminale è relativamente inferiore.inferiore a quello del metodo di sublimazioneLa velocità di crescita della fase liquida può raggiungere diverse centinaia di micrometri all'ora.

Un vantaggio importante del metodo di crescita in fase liquida è la sua capacità di ridurre significativamente la densità delle dislocazioni di vite che si estendono lungo la direzione [0001].Queste lussazioni sono densamente presenti nei cristalli di SiC esistenti e sono una fonte chiave di corrente di perdita nei dispositiviUtilizzando il metodo di crescita in fase liquida, queste lussazioni di vite vengono piegate nella direzione verticale e spazzate fuori dal cristallo attraverso le pareti laterali,riducendo significativamente la densità di dislocazione nei cristalli di SiC.

Le sfide della crescita in fase liquida includono aumentare il tasso di crescita, estendere la lunghezza dei cristalli e migliorare la morfologia superficiale dei cristalli.

5Metodo CVD ad alta temperatura

Il metodo CVD ad alta temperatura è un'altra tecnica utilizzata per la produzione di singoli cristalli di SiC.con SiH4 e C3H8 che fungono da silicio e gas fonte di carbonio, rispettivamente. Mantenendo il substrato di SiC a temperature superiori a 2000°C,i gas di origine si decompongono in molecole quali SiC2 e Si2C nella zona di decomposizione a parete calda e vengono trasportati alla superficie del cristallo seminale, dove formano uno strato monocristallino.

I principali vantaggi del metodo CVD ad alta temperatura sono l'uso di gas grezzi di alta purezza e il controllo preciso del rapporto C/Si nella fase gassosa mediante la regolazione del flusso di gas.Questo controllo è cruciale per la gestione della densità di difetto nel cristalloInoltre, la velocità di crescita del SiC in vrazza può superare 1 mm/ora.che aumenta la difficoltà di manutenzioneInoltre, le reazioni in fase gassosa generano particelle che possono essere incorporate nel cristallo come impurità.

Il metodo CVD ad alta temperatura offre un potenziale significativo per la produzione di cristalli di SiC di alta qualità in vrac.e ridotta densità di dislocazione rispetto al metodo di sublimazione.

6Metodo RAF: una tecnica avanzata per ridurre i difetti

Il metodo RAF (Repeated A-Face) riduce i difetti nei cristalli di SiC tagliando ripetutamente i cristalli di semi.un cristallo di semi tagliato perpendicolare alla direzione [0001] viene prelevato da un cristallo coltivato lungo la direzione [0001]Poi, un altro cristallo seminale viene tagliato perpendicolare a questa nuova direzione di crescita, e ulteriori singoli cristalli SiC vengono coltivati.le lussazioni vengono gradualmente spazzate fuori dal cristallo, che si traduce in cristalli di SiC in grandi quantità con un numero significativamente inferiore di difetti.È stato riferito che la densità di dislocazione dei singoli cristalli di SiC prodotti dal metodo RAF è da 1 a 2 ordini di grandezza inferiore a quella dei cristalli standard di SiC..

7Conclusioni

La tecnologia di preparazione dei singoli cristalli di SiC si sta evolvendo verso tassi di crescita più veloci, ridotta densità di dislocazione e maggiore produttività.e metodo CVD ad alta temperatura ciascuno ha i suoi vantaggi e le sue sfide. Con l'applicazione di nuove tecnologie come il metodo RAF, la qualità dei cristalli di SiC continua a migliorare.con ulteriore ottimizzazione dei processi e miglioramenti delle attrezzature, i colli di bottiglia tecnici nella crescita dei cristalli di SiC dovrebbero essere superati.

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