Tre SIC -tillväxttekniker

De viktigaste metoderna för att odla SIC -enstaka kristaller är:Fysisk ångtransport (Pvt), Kemisk ångavsättning med hög temperatur (HTCVD)ochHög temperaturlösningstillväxt (HTSG). Såsom visas i figur 1. Bland dem är PVT -metoden den mest mogna och mest använda metoden i detta skede. För närvarande har 6-tums enkelkristallsubstratet industrialiserats, och 8-tums enkelkristallen har också odlats framgångsrikt av Cree i USA 2016. Denna metod har dock begränsningar såsom hög defektdensitet, låg utbyte, svår diameterutvidgning och hög kostnad.

HTCVD -metoden använder principen att SI -källan och C -källgas reagerar kemiskt för att generera SIC i en hög temperaturmiljö på cirka 2100 ℃ för att uppnå tillväxten av SIC -enstaka kristaller. Liksom PVT -metoden kräver denna metod också en hög tillväxttemperatur och har en hög tillväxtkostnad. HTSG -metoden skiljer sig från ovanstående två metoder. Dess grundläggande princip är att använda upplösning och omrebegrepp av Si- och C -element i en hög temperaturlösning för att uppnå tillväxten av SIC -enstaka kristaller. Den för närvarande allmänt använda tekniska modellen är TSSG -metoden.

Denna metod kan uppnå tillväxten av SIC i ett nästan termodynamiskt jämviktstillstånd vid en lägre temperatur (under 2000 ° C), och de odlade kristallerna har fördelarna med hög kvalitet, låg kostnad, enkel diameterutvidgning och enkel stabil p-typ doping. Det förväntas bli en metod för att förbereda större, högre och lägre kostnader för SIC-enstaka efter PVT-metoden.

Figur 1. Schematiskt diagram över principerna för tre SIC -enkelkristalltillväxttekniker

01 Utvecklingshistorik och aktuell status för TSSG-odlade SIC-enstaka kristaller

HTSG -metoden för växande SIC har en historia på mer än 60 år.

1961, Halden et al. först erhöll SiC-enstaka kristaller från en högtemperatur Si-smälta i vilken C löstes och undersökte sedan tillväxten av SiC-enstaka kristaller från en högtemperaturlösning bestående av Si+X (där X är en eller flera av elementen Fe, Cr, SC, TB, PR, etc.).

1999, Hofmann et al. Från University of Erlangen i Tyskland använde Pure SI som ett självflöde och använde högtemperaturen och högtrycksmetoden för att odla SIC-enstaka kristaller med en diameter på 1,4 tum och en tjocklek av cirka 1 mm för första gången.

År 2000 optimerade de ytterligare processen och växte SiC-kristaller med en diameter på 20-30 mm och en tjocklek på upp till 20 mm med hjälp av rent Si som ett självflöde i en högtrycks AR-atmosfär på 100-200 bar vid 1900-2400 ° C.

Sedan dess har forskare i Japan, Sydkorea, Frankrike, Kina och andra länder successivt genomfört forskning om tillväxten av SIC -enstaka kristallsubstrat med TSSG -metoden, vilket har gjort att TSSG -metoden utvecklas snabbt under de senaste åren. Bland dem representeras Japan av Sumitomo Metal och Toyota. Tabell 1 och figur 2 visar forskningsframstegen för Sumitomo -metall i tillväxten av SIC -enstaka kristaller, och tabell 2 och figur 3 visar huvudforskningsprocessen och representativa resultat från Toyota.

Detta forskarteam började genomföra forskning om tillväxten av SIC-kristaller med TSSG-metoden 2016 och fick framgångsrikt en 2-tums 4H-SIC-kristall med en tjocklek av 10 mm. Nyligen har laget framgångsrikt odlat en 4-tums 4H-SIC-kristall, som visas i figur 4.

Figur 2.Optiskt foto av SIC Crystal som odlas av Sumitomo Metal's Team med TSSG -metoden

Figur 3.Representativa prestationer från Toyotas team i växande SIC -enstaka kristaller med TSSG -metoden

Figur 4. Representativa prestationer från Institute of Physics, Chinese Academy of Sciences, i växande SIC -enstaka kristaller med TSSG -metoden

02 Grundläggande principer för växande SIC -enstaka kristaller med TSSG -metoden

SIC har ingen smältpunkt vid normalt tryck. När temperaturen når över 2000 ℃ kommer den direkt att förgasas och sönderdelas. Därför är det inte möjligt att odla SIC -enstaka kristaller genom att sakta kyla och stelna Sic -smältan av samma komposition, det vill säga smältmetod.

Enligt det binära fasdiagrammet Si-C finns det en tvåfasregion av "L+SiC" vid den Si-rika änden, vilket ger möjligheten för vätskefastillväxten av SIC. Lösligheten för ren Si för C är emellertid för låg, så det är nödvändigt att lägga till flöde till Si-smältan för att hjälpa till att öka C-koncentrationen i högtemperaturlösningen. För närvarande är det mainstream tekniska läget för växande SIC -enstaka kristaller med HTSG -metoden TSSG -metoden. Figur 5 (a) är ett schematiskt diagram över principen om växande SIC -enstaka kristaller med TSSG -metoden.

Bland dem är regleringen av de termodynamiska egenskaperna hos högtemperaturlösning och dynamiken i lösta transportprocess och kristalltillväxtgränssnitt för att uppnå en god dynamisk balans mellan leverans och efterfrågan på lösta C i hela tillväxtsystemet för att bättre förverkliga tillväxten av SIC-enstaka kristaller med TSSSG-metoden.

Figur 5. (a) Schematiskt diagram över SIC -enstaka kristalltillväxt med TSSG -metoden; (b) Schematiskt diagram över den longitudinella delen av L+SiC-tvåfasregionen

03 Termodynamiska egenskaper hos högtemperaturlösningar

Att lösa tillräckligt med C i högtemperaturlösningar är nyckeln till att odla SIC-enstaka kristaller med TSSG-metoden. Att lägga till flödeselement är ett effektivt sätt att öka lösligheten för C i högtemperaturlösningar.

Samtidigt kommer tillsatsen av flödeselement också att reglera densitet, viskositet, ytspänning, frysningspunkt och andra termodynamiska parametrar för högtemperaturlösningar som är nära besläktade till kristalltillväxt, och därmed direkt påverkar de termodynamiska och kinetiska processerna i kristalltillväxt. Därför är valet av flödeselement det mest kritiska steget för att uppnå TSSG -metoden för att växa SIC -enstaka kristaller och är forskningsfokus inom detta område.

Det finns många binära högtemperaturlösningssystem som rapporteras i litteraturen, inklusive Li-Si, Ti-Si, Cr-Si, Fe-Si, SC-SI, Ni-Si och Co-Si. Bland dem är de binära systemen för CR-SI, Ti-Si och Fe-Si och multikomponentsystemen som CR-CE-AL-SI väl utvecklade och har fått goda kristalltillväxtresultat.

Figur 6 (a) visar förhållandet mellan SIC-tillväxthastighet och temperatur i tre olika högtemperaturlösningssystem för CR-Si, Ti-Si och Fe-Si, sammanfattat av Kawanishi et al. från Tohoku University i Japan 2020.

Såsom visas i figur 6 (b), Hyun et al. designade en serie högtemperaturlösningssystem med ett sammansättningsförhållande av SI0.56CR0.4M0.04 (M = SC, TI, V, CR, MN, Fe, CO, NI, Cu, RH och PD) för att visa lösligheten för C.

Figur 6. (a) Förhållandet mellan SIC-enkelkristalltillväxthastighet och temperatur vid användning av olika högtemperaturlösningssystem

04 Tillväxtkinetikreglering

För att bättre få högkvalitativa SIC-enstaka kristaller är det också nödvändigt att reglera kinetiken för kristallutfällning. Därför är ett annat forskningsfokus för TSSG-metoden för växande SIC-enstaka kristaller regleringen av kinetiken i högtemperaturlösningar och vid kristalltillväxtgränssnittet.

Det huvudsakliga regleringsmedlet inkluderar: rotation och dragningsprocess av frökristall och degel, reglering av temperaturfält i tillväxtsystem, optimering av degelstrukturen och storleken och reglering av hög temperaturlösningskonvektion med yttre magnetfält. Det grundläggande syftet är att reglera temperaturfältet, flödesfältet och det lösta koncentrationsfältet vid gränssnittet mellan hög temperaturlösning och kristalltillväxt, så att det är bättre och snabbare utfällning SIC från hög temperaturlösning på ett ordnat sätt och växer till högkvalitativa stora kristaller.

Forskare har provat många metoder för att uppnå dynamisk reglering, till exempel den "degela accelererade rotationstekniken" som används av Kusunoki et al. I deras arbete rapporterades 2006 och den "konkava lösningstillväxttekniken" utvecklad av Daikoku et al.

2014, Kusunoki et al. Lade till en grafitringstruktur som en nedsänkningsguide (IG) i degeln för att uppnå reglering av hög temperaturlösningskonvektion. Genom att optimera storleken och positionen på grafitringen kan ett enhetligt uppåtriktat transportläge fastställas i högtemperaturlösningen under frökristallen och därmed förbättra kristalltillväxthastigheten och kvaliteten, såsom visas i figur 7.

Figur 7: (a) Simuleringsresultat av hög temperaturlösningsflöde och temperaturfördelning i degel; 

(b) Schematiskt diagram över experimentell enhet och sammanfattning av resultaten

05 Fördelar med TSSG -metoden för växande SIC -enstaka kristaller

Fördelarna med TSSG -metoden vid växande SIC -enstaka kristaller återspeglas i följande aspekter:

(1) Metod för hög temperaturlösning för växande SIC-enstaka kristaller kan effektivt reparera mikrotuber och andra makrodefekter i frökristallen och därigenom förbättra kristallkvaliteten. 1999, Hofmann et al. Observeras och bevisas genom optiskt mikroskop att mikrotub kan täckas effektivt i processen att odla SIC -enstaka kristaller med TSSG -metoden, såsom visas i figur 8.

Bild 8: Eliminering av mikrotub under tillväxten av SiC -enstaka kristall med TSSG -metoden:

(A) Optisk mikrograf av SIC -kristall som odlas av TSSG i transmissionsläge, där mikrotuberna under tillväxtskiktet tydligt kan ses; 

(b) Optisk mikrografi av samma område i reflektionsläge, vilket indikerar att mikrotuberna har täckts helt.

(2) Jämfört med PVT -metoden kan TSSG -metoden lättare uppnå kristalldiameterutvidgning, vilket ökar diametern för SiC -enkelkristallsubstrat, vilket effektivt förbättrar produktionseffektiviteten för SIC -enheter och minskar produktionskostnaderna.

De relevanta forskarteamen från Toyota och Sumitomo Corporation har framgångsrikt uppnått konstgjord kontrollerbar kristalldiameterutvidgning genom att använda en "meniskhöjdkontroll" -teknologi, som visas i figur 9 (a) och (b).

Figur 9: (a) Schematiskt diagram över menisk kontrollteknologi i TSSG -metoden; 

(b) förändring av tillväxtvinkel θ med meniskhöjd och sidovy av SIC -kristall erhållen av denna teknik; 

(c) tillväxt under 20 timmar vid en meniskhöjd av 2,5 mm; 

(d) tillväxt under 10 timmar vid en meniskhöjd av 0,5 mm;

(e) Tillväxten under 35 timmar, med meniskhöjden gradvis ökar från 1,5 mm till ett större värde.

(3) Jämfört med PVT-metoden är TSSG-metoden lättare att uppnå stabil p-typ doping av SIC-kristaller. Till exempel Shirai et al. av Toyota rapporterade 2014 att de hade vuxit lågresistivitet P-typ 4H-SIC-kristaller med TSSG-metoden, såsom visas i figur 10.

Figur 10: (a) Sidovy av P-typ SIC-enkristall som odlas med TSSG-metoden; 

(b) Optiskt fotografering av överföring av en longitudinell del av kristallen; 

(c) Toppytamorfologi av en kristall som odlas från en högtemperaturlösning med ett Al-innehåll på 3% (atomfraktion)

06 Slutsats och synpunkter

TSSG-metoden för växande SIC-enstaka kristaller har gjort stora framsteg under de senaste 20 åren, och några få team har vuxit högkvalitativa 4-tums SIC-enkelkristaller med TSSG-metoden.

Den vidareutvecklingen av denna teknik kräver dock fortfarande genombrott i följande viktiga aspekter:

(1) djupgående studie av lösningens termodynamiska egenskaper;

(2) balansen mellan tillväxthastighet och kristallkvalitet;

(3) upprättandet av stabila kristalltillväxtförhållanden;

(4) Utvecklingen av raffinerad dynamisk kontrollteknik.

Although the TSSG method is still somewhat behind the PVT method, it is believed that with the continuous efforts of researchers in this field, as the core scientific problems of growing SiC single crystals by the TSSG method are continuously solved and key technologies in the growth process are continuously broken through, this technology will also be industrialized, thereby giving full play to the potential of the TSSG method for growing SiC single crystals and further promoting and driving the rapid Utveckling av SIC -industrin.