Tiga teknologi pertumbuhan kristal tunggal sic

Metode utama untuk menumbuhkan kristal tunggal SiC adalah:Transportasi Uap Fisik (PVT), Deposisi uap kimia suhu tinggi (HTCVD)DanPertumbuhan Larutan Suhu Tinggi (HTSG). Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1. Di antara mereka, metode PVT adalah metode yang paling matang dan banyak digunakan pada tahap ini. Saat ini, substrat kristal tunggal 6 inci telah diindustrialisasi, dan kristal tunggal 8 inci juga telah berhasil ditanam oleh Cree di Amerika Serikat pada tahun 2016. Namun, metode ini memiliki keterbatasan seperti kepadatan cacat tinggi, hasil rendah, ekspansi berdiameter yang sulit, dan biaya tinggi.

Metode HTCVD menggunakan prinsip bahwa sumber SI dan gas C Gas bereaksi secara kimiawi untuk menghasilkan SiC dalam lingkungan suhu tinggi sekitar tahun 2100 ℃ untuk mencapai pertumbuhan kristal tunggal SiC. Seperti metode PVT, metode ini juga membutuhkan suhu pertumbuhan yang tinggi dan memiliki biaya pertumbuhan yang tinggi. Metode HTSG berbeda dari dua metode di atas. Prinsip dasarnya adalah menggunakan pembubaran dan represipitasi elemen SI dan C dalam solusi suhu tinggi untuk mencapai pertumbuhan kristal tunggal SiC. Model teknis yang saat ini banyak digunakan adalah metode TSSG.

Metode ini dapat mencapai pertumbuhan SIC dalam keadaan kesetimbangan dekat-termodinamik pada suhu yang lebih rendah (di bawah 2000 ° C), dan kristal yang tumbuh memiliki keunggulan dengan kualitas tinggi, biaya rendah, ekspansi diameter mudah, dan doping tipe-P yang mudah stabil. Diharapkan menjadi metode untuk mempersiapkan kristal tunggal SIC yang lebih besar, berkualitas lebih tinggi dan lebih rendah setelah metode PVT.

Gambar 1. Diagram skematik dari prinsip -prinsip tiga teknologi pertumbuhan kristal tunggal SiC

01 Sejarah Pengembangan dan status saat ini dari kristal tunggal SIC yang tumbuh TSSG

Metode HTSG untuk menumbuhkan SIC memiliki sejarah lebih dari 60 tahun.

Pada tahun 1961, Halden et al. Pertama kali diperoleh kristal tunggal SIC dari cairan SI suhu tinggi di mana C dilarutkan, dan kemudian mengeksplorasi pertumbuhan kristal tunggal SiC dari larutan suhu tinggi yang terdiri dari Si+X (di mana x adalah satu atau lebih elemen Fe, Cr, SC, Tb, PR, dll.).

Pada tahun 1999, Hofmann et al. Dari University of Erlangen di Jerman menggunakan SI murni sebagai fluks mandiri dan menggunakan metode TSSG suhu tinggi dan bertekanan tinggi untuk menumbuhkan kristal tunggal SiC dengan diameter 1,4 inci dan ketebalan sekitar 1 mm untuk pertama kalinya.

Pada tahun 2000, mereka lebih lanjut mengoptimalkan proses dan menumbuhkan kristal SIC dengan diameter 20-30 mm dan ketebalan hingga 20 mm menggunakan Si murni sebagai fluks mandiri dalam atmosfer AR tekanan tinggi 100-200 bar pada 1900-2400 ° C.

Sejak itu, para peneliti di Jepang, Korea Selatan, Prancis, Cina dan negara -negara lain telah secara berturut -turut melakukan penelitian tentang pertumbuhan substrat kristal tunggal SiC dengan metode TSSG, yang telah membuat metode TSSG berkembang pesat dalam beberapa tahun terakhir. Di antara mereka, Jepang diwakili oleh Sumitomo Metal dan Toyota. Tabel 1 dan Gambar 2 menunjukkan kemajuan penelitian logam Sumitomo dalam pertumbuhan kristal tunggal SiC, dan Tabel 2 dan Gambar 3 menunjukkan proses penelitian utama dan hasil representatif Toyota.

Tim peneliti ini mulai melakukan penelitian tentang pertumbuhan kristal SIC dengan metode TSSG pada tahun 2016, dan berhasil memperoleh kristal 4H-SIC 2-inci dengan ketebalan 10 mm. Baru-baru ini, tim telah berhasil menumbuhkan kristal 4H-SIC 4-inci, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 4.

Gambar 2.Foto optik kristal sic yang ditumbuhkan oleh tim Sumitomo Metal menggunakan metode TSSG

Gambar 3.Prestasi perwakilan tim Toyota dalam menumbuhkan kristal tunggal SIC menggunakan metode TSSG

Gambar 4. Prestasi Perwakilan Institut Fisika, Akademi Ilmu Pengetahuan Cina, dalam menumbuhkan kristal tunggal SIC menggunakan metode TSSG

02 Prinsip Dasar Menanam SIC Single Crystals Dengan Metode TSSG

SIC tidak memiliki titik leleh pada tekanan normal. Ketika suhu mencapai di atas 2000 ℃, itu akan secara langsung gasifikasi dan terurai. Oleh karena itu, tidak layak untuk menumbuhkan kristal tunggal dengan secara perlahan mendinginkan dan memperkuat pencairan sic dari komposisi yang sama, yaitu, metode leleh.

Menurut diagram fase biner Si-C, ada wilayah dua fase "L+SiC" di ujung yang kaya Si, yang menyediakan kemungkinan untuk pertumbuhan fase cair SiC. Namun, kelarutan Si murni untuk C terlalu rendah, sehingga perlu untuk menambahkan fluks ke SI lelehan untuk membantu meningkatkan konsentrasi C dalam larutan suhu tinggi. Saat ini, mode teknis utama untuk menumbuhkan kristal tunggal SIC dengan metode HTSG adalah metode TSSG. Gambar 5 (a) adalah diagram skematis dari prinsip tumbuh kristal tunggal siC dengan metode TSSG.

Di antara mereka, regulasi sifat termodinamika dari larutan suhu tinggi dan dinamika proses transportasi zat terlarut dan antarmuka pertumbuhan kristal untuk mencapai keseimbangan dinamis yang baik dari penawaran dan permintaan zat terlarut C di seluruh sistem pertumbuhan adalah kunci untuk lebih mewujudkan pertumbuhan kristal tunggal SIC dengan metode TSSG.

Gambar 5. (a) Diagram skematik dari pertumbuhan kristal tunggal SIC dengan metode TSSG; (B) Diagram skematik dari bagian longitudinal dari wilayah dua fase L+SiC

03 Sifat Termodinamika Solusi Suhu Tinggi

Melarutkan cukup C ke dalam larutan suhu tinggi adalah kunci untuk menumbuhkan kristal tunggal SiC dengan metode TSSG. Menambahkan elemen fluks adalah cara yang efektif untuk meningkatkan kelarutan C dalam solusi suhu tinggi.

Pada saat yang sama, penambahan elemen fluks juga akan mengatur kepadatan, viskositas, tegangan permukaan, titik beku dan parameter termodinamika lainnya dari larutan suhu tinggi yang terkait erat dengan pertumbuhan kristal, sehingga secara langsung mempengaruhi proses termodinamika dan kinetik dalam pertumbuhan kristal. Oleh karena itu, pemilihan elemen fluks adalah langkah paling kritis dalam mencapai metode TSSG untuk menumbuhkan kristal tunggal SiC dan merupakan fokus penelitian di bidang ini.

Ada banyak sistem solusi suhu tinggi biner yang dilaporkan dalam literatur, termasuk Li-Si, Ti-Si, Cr-Si, Fe-Si, SC-Si, Ni-Si dan Co-Si. Di antara mereka, sistem biner CR-Si, Ti-Si dan Fe-Si dan sistem multi-komponen seperti CR-CE-Al-Si dikembangkan dengan baik dan telah memperoleh hasil pertumbuhan kristal yang baik.

Gambar 6 (a) menunjukkan hubungan antara laju pertumbuhan SIC dan suhu dalam tiga sistem solusi suhu tinggi yang berbeda dari Cr-Si, Ti-Si dan Fe-Si, dirangkum oleh Kawanishi et al. Universitas Tohoku di Jepang pada tahun 2020.

Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 6 (b), Hyun et al. Dirancang serangkaian sistem solusi suhu tinggi dengan rasio komposisi Si0.56cr0.4m0.04 (M = SC, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, RH dan PD) untuk menunjukkan kelarutan C.

Gambar 6. (a) Hubungan antara laju pertumbuhan kristal tunggal SIC dan suhu saat menggunakan sistem larutan suhu tinggi yang berbeda

04 Peraturan Kinetika Pertumbuhan

Untuk mendapatkan kristal tunggal SIC berkualitas tinggi, juga perlu untuk mengatur kinetika presipitasi kristal. Oleh karena itu, fokus penelitian lain dari metode TSSG untuk menumbuhkan kristal tunggal SiC adalah regulasi kinetika dalam solusi suhu tinggi dan pada antarmuka pertumbuhan kristal.

Cara utama regulasi meliputi: rotasi dan proses penarik kristal biji dan wadah, regulasi medan suhu dalam sistem pertumbuhan, optimalisasi struktur dan ukuran wadah, dan regulasi konveksi larutan suhu tinggi oleh medan magnet eksternal. Tujuan fundamental adalah untuk mengatur medan suhu, medan aliran dan medan konsentrasi zat terlarut pada antarmuka antara larutan suhu tinggi dan pertumbuhan kristal, sehingga untuk lebih baik dan lebih cepat endapan dari larutan suhu tinggi dengan cara yang tertib dan tumbuh menjadi kristal tunggal berukuran besar berkualitas tinggi.

Para peneliti telah mencoba banyak metode untuk mencapai regulasi dinamis, seperti "teknologi rotasi yang dipercepat" yang digunakan oleh Kusunoki et al. Dalam pekerjaan mereka yang dilaporkan pada tahun 2006, dan "teknologi pertumbuhan solusi cekung" yang dikembangkan oleh Daikoku et al.

Pada 2014, Kusunoki et al. Menambahkan struktur cincin grafit sebagai panduan perendaman (IG) dalam wadah untuk mencapai regulasi konveksi larutan suhu tinggi. Dengan mengoptimalkan ukuran dan posisi cincin grafit, mode transportasi zat terlarut yang seragam dapat ditetapkan dalam larutan suhu tinggi di bawah kristal biji, sehingga meningkatkan laju dan kualitas pertumbuhan kristal, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 7.

Gambar 7: (a) Hasil simulasi aliran larutan suhu tinggi dan distribusi suhu di wadah; 

(B) Diagram skematik perangkat eksperimental dan ringkasan hasil

05 Keuntungan dari metode TSSG untuk menumbuhkan kristal tunggal SiC

Keuntungan dari metode TSSG dalam menumbuhkan kristal tunggal SIC tercermin dalam aspek -aspek berikut:

(1) Metode solusi suhu tinggi untuk menumbuhkan kristal tunggal SiC dapat secara efektif memperbaiki mikrotube dan cacat makro lainnya dalam kristal biji, sehingga meningkatkan kualitas kristal. Pada tahun 1999, Hofmann et al. Diamati dan dibuktikan melalui mikroskop optik bahwa mikrotube dapat secara efektif tercakup dalam proses menumbuhkan kristal tunggal SiC dengan metode TSSG, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 8.

Gambar 8: Penghapusan mikrotuba selama pertumbuhan kristal tunggal SIC dengan metode TSSG:

(A) Mikrograf optik kristal SiC yang ditumbuhkan oleh TSSG dalam mode transmisi, di mana mikrotub di bawah lapisan pertumbuhan dapat dilihat dengan jelas; 

(B) Mikrograf optik dari area yang sama dalam mode refleksi, menunjukkan bahwa mikrotub telah sepenuhnya tertutup.

(2) Dibandingkan dengan metode PVT, metode TSSG dapat lebih mudah mencapai ekspansi berdiameter kristal, sehingga meningkatkan diameter substrat kristal tunggal SiC, secara efektif meningkatkan efisiensi produksi perangkat SIC dan mengurangi biaya produksi.

Tim peneliti yang relevan dari Toyota dan Sumitomo Corporation telah berhasil mencapai ekspansi berdiameter kristal yang dapat dikendalikan secara artifisial dengan menggunakan teknologi "kontrol tinggi meniskus", seperti yang ditunjukkan pada Gambar 9 (a) dan (b).

Gambar 9: (a) Diagram skematis teknologi kontrol meniskus dalam metode TSSG; 

(B) Perubahan sudut pertumbuhan θ dengan tinggi meniskus dan pandangan samping kristal sic yang diperoleh oleh teknologi ini; 

(c) pertumbuhan selama 20 jam pada ketinggian meniskus 2,5 mm; 

(d) pertumbuhan selama 10 jam pada ketinggian meniskus 0,5 mm;

(e) Pertumbuhan selama 35 jam, dengan tinggi meniskus secara bertahap meningkat dari 1,5 mm ke nilai yang lebih besar.

(3) Dibandingkan dengan metode PVT, metode TSSG lebih mudah untuk mencapai doping tipe-P kristal SIC yang stabil. Misalnya, Shirai et al. dari Toyota yang dilaporkan pada tahun 2014 bahwa mereka telah menumbuhkan kristal P-Type 4H-SIC resistivitas rendah dengan metode TSSG, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 10.

Gambar 10: (a) tampilan samping kristal tunggal SIC tipe-p yang ditumbuhkan dengan metode TSSG; 

(B) foto optik transmisi dari bagian longitudinal kristal; 

(C) Morfologi permukaan atas kristal yang tumbuh dari larutan suhu tinggi dengan kandungan AL 3% (fraksi atom)

06 Kesimpulan dan Outlook

Metode TSSG untuk menumbuhkan kristal tunggal SiC telah membuat kemajuan besar dalam 20 tahun terakhir, dan beberapa tim telah menumbuhkan kristal tunggal SIC berkualitas tinggi 4 inci dengan metode TSSG.

Namun, pengembangan lebih lanjut dari teknologi ini masih membutuhkan terobosan dalam aspek -aspek kunci berikut:

(1) studi mendalam tentang sifat termodinamika dari larutan;

(2) keseimbangan antara tingkat pertumbuhan dan kualitas kristal;

(3) pembentukan kondisi pertumbuhan kristal yang stabil;

(4) Pengembangan teknologi kontrol dinamis yang disempurnakan.

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 dari industri SIC.