Tre SIC -krystalvækstteknologier

De vigtigste metoder til dyrkning af Sic -enkeltkrystaller er:Fysisk damptransport (PVT), Kemisk dampaflejring af høj temperatur (HTCVD)ogVækst med høj temperaturopløsning (HTSG). Som vist i figur 1. Blandt dem er PVT -metoden den mest modne og vidt anvendte metode på dette tidspunkt. På nuværende tidspunkt er det 6-tommers enkeltkrystallsubstrat industrialiseret, og den 8-tommers enkeltkrystall er også blevet dyrket med Cree i USA i 2016. Imidlertid har denne metode begrænsninger såsom høj defektdensitet, lavt udbytte, vanskelig diameterudvidelse og høje omkostninger.

HTCVD -metoden bruger princippet om, at SI -kilde- og C -kildegas reagerer kemisk for at generere SIC i et højt temperaturmiljø på ca. 2100 ℃ for at opnå væksten af ​​SIC -enkeltkrystaller. Ligesom PVT -metoden kræver denne metode også en høj væksttemperatur og har en høj vækstomkostning. HTSG -metoden er forskellig fra ovenstående to metoder. Dets grundlæggende princip er at bruge opløsning og genudfældning af SI- og C -elementer i en høj temperaturopløsning for at opnå væksten af ​​SIC -enkeltkrystaller. Den i øjeblikket vidt anvendte tekniske model er TSSG -metoden.

Denne metode kan opnå væksten af ​​SIC i en næsten termodynamisk ligevægtstilstand ved en lavere temperatur (under 2000 ° C), og de voksne krystaller har fordelene ved høj kvalitet, lave omkostninger, lette diameterudvidelse og let stabil P-type doping. Det forventes at blive en metode til at forberede større, højere kvalitet og lavere omkostninger SIC-enkeltkrystaller efter PVT-metoden.

Figur 1. Skematisk diagram over principperne i tre SIC -enkeltkrystallvækstteknologier

01 Udviklingshistorik og aktuel status for TSSG-dyrket SIC-enkeltkrystaller

HTSG -metoden til voksende SIC har en historie på mere end 60 år.

I 1961 har Halden et al. Først opnået SIC-enkeltkrystaller fra en høj-temperatur Si-smelte, hvor C blev opløst, og derefter undersøgte væksten af ​​SIC-enkeltkrystaller fra en høj-temperaturopløsning sammensat af Si+X (hvor X er en eller flere af elementerne Fe, CR, SC, TB, PR osv.).

I 1999 har Hofmann et al. Fra University of Erlangen i Tyskland brugte Pure SI som en selvflux og anvendte høj-temperaturen og højtryks TSSG-metoden til at dyrke SIC-enkeltkrystaller med en diameter på 1,4 inches og en tykkelse på ca. 1 mm for første gang.

I 2000 optimerede de yderligere processen og voksede SIC-krystaller med en diameter på 20-30 mm og en tykkelse på op til 20 mm ved hjælp af ren SI som en selvflux i en højtryks AR-atmosfære på 100-200 bar ved 1900-2400 ° C.

Siden da har forskere i Japan, Sydkorea, Frankrig, Kina og andre lande successivt udført forskning om væksten af ​​SIC -enkeltkrystallsubstrater ved hjælp af TSSG -metoden, som har fået TSSG -metoden til at udvikle sig hurtigt i de senere år. Blandt dem er Japan repræsenteret af Sumitomo Metal og Toyota. Tabel 1 og figur 2 viser forskningsfremskridt for Sumitomo -metal i væksten af ​​SIC -enkeltkrystaller, og tabel 2 og figur 3 viser den vigtigste forskningsproces og repræsentative resultater af Toyota.

Dette forskerteam begyndte at udføre forskning om vækst af SIC-krystaller ved TSSG-metoden i 2016 og opnåede med succes en 2-tommer 4H-SIC-krystal med en tykkelse på 10 mm. For nylig har teamet med succes dyrket en 4-tommer 4H-Sic Crystal, som vist i figur 4.

Figur 2.Optisk foto af Sic Crystal dyrket af Sumitomo Metal's team ved hjælp af TSSG -metoden

Figur 3.Repræsentative resultater af Toyotas team i dyrkning af SIC -enkeltkrystaller ved hjælp af TSSG -metoden

Figur 4. Repræsentative resultater fra Institute of Physics, Chinese Academy of Sciences, i voksende SIC -enkeltkrystaller ved hjælp af TSSG -metoden

02 Grundlæggende principper for dyrkning af SIC -enkeltkrystaller ved TSSG -metode

SIC har intet smeltepunkt ved normalt tryk. Når temperaturen når over 2000 ℃, vil den direkte forme og nedbrydes. Derfor er det ikke muligt at dyrke SIC -enkeltkrystaller ved langsomt afkøling og størkning af SIC -smelte af den samme sammensætning, det vil sige smeltemetode.

I henhold til SI-C-binærfasediagrammet er der en to-fase-region af "L+SIC" i den SI-rige ende, som giver muligheden for den flydende fasevækst af SIC. Imidlertid er opløseligheden af ​​ren Si for C for lav, så det er nødvendigt at tilføje flux til SI-smelten for at hjælpe med at øge C-koncentrationen i høj-temperaturopløsningen. På nuværende tidspunkt er den mainstream tekniske tilstand til dyrkning af SIC -enkeltkrystaller ved HTSG -metoden TSSG -metode. Figur 5 (a) er et skematisk diagram over princippet om voksende SIC -enkeltkrystaller ved TSSG -metode.

Blandt dem er reguleringen af ​​de termodynamiske egenskaber ved høj temperaturopløsning og dynamikken i opløst transportproces og krystalvækstgrænseflade for at opnå en god dynamisk balance i udbud og efterspørgsel efter opløst C i hele vækstsystemet nøglen til bedre at realisere væksten af ​​SIC-enkeltkrystaller ved TSSG-metode.

Figur 5. (A) Skematisk diagram over SIC -enkeltkrystallvækst ved TSSG -metode; (b) Skematisk diagram over den langsgående del af L+SIC-to-fase-regionen

03 Termodynamiske egenskaber ved høje temperaturopløsninger

Opløsning nok C til høje temperaturopløsninger er nøglen til voksende SIC-enkeltkrystaller ved TSSG-metoden. Tilføjelse af fluxelementer er en effektiv måde at øge opløseligheden af ​​C i høje temperaturopløsninger.

På samme tid vil tilsætning af fluxelementer også regulere densitet, viskositet, overfladespænding, frysepunkt og andre termodynamiske parametre for høje temperaturopløsninger, der er tæt knyttet til krystalvækst, hvilket direkte påvirker de termodynamiske og kinetiske processer i krystalvækst. Derfor er udvælgelsen af ​​fluxelementer det mest kritiske trin i at opnå TSSG -metoden til dyrkning af SIC -enkeltkrystaller og er forskningsfokus på dette område.

Der er mange binære systemer med høj temperaturopløsning rapporteret i litteraturen, herunder Li-Si, Ti-Si, CR-SI, Fe-Si, SC-SI, Ni-Si og Co-Si. Blandt dem er de binære systemer af CR-Si, Ti-Si og Fe-Si og multi-komponentsystemerne såsom CR-CE-Al-Si veludviklet og har opnået gode krystalvækstresultater.

Figur 6 (a) viser forholdet mellem SIC-væksthastighed og temperatur i tre forskellige systemer med høj temperaturopløsning af CR-Si, Ti-Si og Fe-Si, opsummeret af Kawanishi et al. af Tohoku University i Japan i 2020.

Som vist i figur 6 (b), Hyun et al. designet en række høje temperaturopløsningssystemer med et sammensætningsforhold på SI0.56CR0.4M0.04 (M = SC, Ti, V, CR, MN, Fe, CO, NI, Cu, RH og PD) for at vise opløseligheden af ​​C.

Figur 6. (A) Forholdet mellem SIC-krystalvæksthastighed og temperatur, når du bruger forskellige høje temperaturopløsningssystemer

04 Regulering af vækstkinetik

For bedre at opnå SIC-enkeltkrystaller af høj kvalitet er det også nødvendigt at regulere kinetikken for krystaludfældning. Derfor er et andet forskningsfokus for TSSG-metoden til dyrkning af SIC-enkeltkrystaller reguleringen af ​​kinetikken i høje temperaturopløsninger og ved krystalvækstgrænsefladen.

Det vigtigste middel til regulering inkluderer: rotation og trækproces med frøkrystall og digel, regulering af temperaturfelt i vækstsystemet, optimering af digelstruktur og størrelse og regulering af høj-temperaturopløsningskonvektion med eksternt magnetfelt. Det grundlæggende formål er at regulere temperaturfeltet, flowfeltet og opløst koncentrationsfeltet ved grænsefladen mellem høj-temperaturopløsning og krystalvækst, så det er bedre og hurtigere bundfald SIC fra høj-temperaturopløsning på en ordnet måde og vokser til store størrelse i stor størrelse.

Forskere har prøvet mange metoder til at opnå dynamisk regulering, såsom "Crucible Accelerated Rotation Technology" anvendt af Kusunoki et al. I deres arbejde rapporteret i 2006, og den "konkave løsningsteknologi" udviklet af Daikoku et al.

I 2014 har Kusunoki et al. Tilføjet en grafitringstruktur som en nedsænkningsvejledning (IG) i digelen for at opnå regulering af høj-temperaturopløsningskonvektion. Ved at optimere størrelsen og placeringen af ​​grafitringen kan der etableres en ensartet opadgående opløst transporttilstand i højtemperaturopløsningen under frøkrystallen og derved forbedre krystalvæksthastigheden og kvaliteten som vist i figur 7.

Figur 7: (a) Simuleringsresultater af høj temperaturopløsningsstrøm og temperaturfordeling i digel; 

(b) Skematisk diagram over eksperimentel enhed og resumé af resultaterne

05 Fordele ved TSSG -metode til dyrkning af SIC -enkeltkrystaller

Fordelene ved TSSG -metode til dyrkning af SIC -enkeltkrystaller afspejles i følgende aspekter:

(1) Metode med høj temperaturopløsning til dyrkning af SIC-enkeltkrystaller kan effektivt reparere mikrotubes og andre makrofejl i frøkrystallen og derved forbedre krystalkvaliteten. I 1999 har Hofmann et al. Observeret og bevist gennem optisk mikroskop, at mikrotubes effektivt kan dækkes i processen med at dyrke SIC -enkeltkrystaller ved TSSG -metode, som vist i figur 8.

Figur 8: Eliminering af mikrotuber under væksten af ​​SIC -enkeltkrystall ved TSSG -metode:

(a) Optisk mikrograf af SIC -krystal dyrket af TSSG i transmissionstilstand, hvor mikrotuberne under vækstlaget tydeligt kan ses; 

(b) Optisk mikrograf af det samme område i reflektionstilstand, hvilket indikerer, at mikrotuberne er blevet fuldstændigt dækket.

(2) Sammenlignet med PVT -metode kan TSSG -metoden lettere opnå ekspansion af krystaldiameter og derved øge diameteren af ​​SIC -enkeltkrystallsubstrat, hvilket effektivt forbedrer produktionseffektiviteten af ​​SIC -enheder og reducerer produktionsomkostningerne.

De relevante forskerteam i Toyota og Sumitomo Corporation har med succes opnået kunstigt kontrollerbar krystaldiameterudvidelse ved hjælp af en "meniskhøjde kontrol" -teknologi, som vist i figur 9 (a) og (b).

Figur 9: (a) Skematisk diagram over menisk kontrolteknologi i TSSG -metoden; 

(b) Ændring af vækstvinkel θ med meniskhøjde og udsigt over SIC -krystal opnået ved denne teknologi; 

(c) vækst i 20 timer i en menisk højde på 2,5 mm; 

(d) vækst i 10 timer i en meniskhøjde på 0,5 mm;

(e) Vækst i 35 timer, hvor meniskhøjden gradvist steg fra 1,5 mm til en større værdi.

(3) Sammenlignet med PVT-metode er TSSG-metoden lettere at opnå stabil P-type doping af SIC-krystaller. For eksempel Shirai et al. af Toyota rapporterede i 2014, at de var vokset med lav resistivitet P-type 4H-Sic-krystaller ved TSSG-metoden, som vist i figur 10.

Figur 10: (a) Sidevisning af P-type sic enkelt krystal dyrket med TSSG-metode; 

(b) transmission optisk fotografi af en langsgående del af krystallen; 

(c) Topoverflademorfologi af en krystal dyrket fra en høj temperaturopløsning med et AL-indhold på 3% (atomfraktion)

06 Konklusion og udsigter

TSSG-metoden til dyrkning af SIC-enkeltkrystaller har gjort store fremskridt i de sidste 20 år, og et par hold er vokset med 4-tommers sic-sing-krystaller i høj kvalitet efter TSSG-metoden.

Imidlertid kræver den videre udvikling af denne teknologi gennembrud i følgende centrale aspekter:

(1) en dybdegående undersøgelse af opløsningens termodynamiske egenskaber;

(2) balancen mellem vækstrate og krystalkvalitet;

(3) etablering af stabile krystalvækstbetingelser;

(4) Udviklingen af ​​raffineret dynamisk kontrolteknologi.

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 development of SIC -industrien.