Kukula Kwachangu kwa SiC Single Crystal Kugwiritsa NtchitoCVD-SiC ZambiriSource kudzera pa Sublimation Method
Pogwiritsa ntchito zobwezerezedwansoCVD-SiC midadadamonga gwero la SiC, makhiristo a SiC adakula bwino pamlingo wa 1.46 mm / h kudzera mu njira ya PVT. Ma micropipe okulirapo a crystal ndi kusasunthika kwapang'onopang'ono kukuwonetsa kuti ngakhale kukula kwakukulu, mtundu wa kristalo ndi wabwino kwambiri.
Silicon carbide (SiC)ndi wide-bandgap semiconductor yokhala ndi zinthu zabwino kwambiri zogwiritsira ntchito ma voltages apamwamba, mphamvu yayikulu, komanso ma frequency apamwamba. Kufuna kwake kwakula kwambiri m'zaka zaposachedwa, makamaka m'munda wamagetsi amagetsi. Pamagetsi amagetsi amagetsi, makristalo a SiC single amakulitsidwa ndikutsitsa gwero la SiC loyera kwambiri pa 2100-2500 ° C, kenako ndikuyikanso mukristalo wambewu pogwiritsa ntchito njira yoyendera nthunzi (PVT), ndikutsatiridwa ndi kukonza kuti mupeze magawo amodzi a kristalo pa zopyapyala. . Mwachikhalidwe,SiC makristasiamakula pogwiritsa ntchito njira ya PVT pa kukula kwa 0.3 mpaka 0.8 mm / h kuti athetse crystallinity, yomwe imakhala yocheperapo poyerekeza ndi zipangizo zina za kristalo zomwe zimagwiritsidwa ntchito popanga semiconductor. Pamene makristasi a SiC amakula pakukula kwakukulu pogwiritsa ntchito njira ya PVT, kuwonongeka kwa khalidwe kuphatikizapo carbon inclusions, kuchepetsedwa kwa chiyero, kukula kwa polycrystalline, kupanga malire a tirigu, ndi kusokonezeka ndi kuwonongeka kwa porosity sikunayambe. Choncho, kukula mofulumira kwa SiC sikunapangidwe, ndipo kukula kwapang'onopang'ono kwa SiC kwakhala chopinga chachikulu pakupanga kwa magawo a SiC.
Kumbali inayi, malipoti aposachedwapa okhudza kukula kwachangu kwa SiC akhala akugwiritsa ntchito njira zotentha kwambiri za mankhwala a vapor deposition (HTCVD) osati njira ya PVT. Njira ya HTCVD imagwiritsa ntchito nthunzi yomwe ili ndi Si ndi C ngati gwero la SiC mu riyakitala. HTCVD sinagwiritsidwebe ntchito pakupanga kwakukulu kwa SiC ndipo ikufuna kufufuza kwina ndi chitukuko cha malonda. Chochititsa chidwi n'chakuti, ngakhale pakukula kwakukulu kwa ~ 3 mm / h, makristasi amodzi a SiC amatha kukula ndi khalidwe labwino la kristalo pogwiritsa ntchito njira ya HTCVD. Pakadali pano, zida za SiC zakhala zikugwiritsidwa ntchito mumayendedwe a semiconductor m'malo ovuta omwe amafunikira kuwongolera kwapamwamba kwambiri. Kwa ntchito za semiconductor process, ~ 99.9999% (∼6N) zoyera za SiC zoyera nthawi zambiri zimakonzedwa ndi ndondomeko ya CVD kuchokera ku methyltrichlorosilane (CH3Cl3Si, MTS). Komabe, ngakhale kuti zigawo za CVD-SiC ndizoyera kwambiri, zatayidwa pambuyo pa ntchito. Posachedwapa, zida za CVD-SiC zotayidwa zimatengedwa ngati magwero a SiC a kukula kwa kristalo, ngakhale njira zina zobwezeretsa kuphatikizapo kuphwanya ndi kuyeretsa zikufunikabe kuti zikwaniritse zofunikira za kukula kwa kristalo. Mu phunziroli, tidagwiritsa ntchito midadada ya CVD-SiC yotayidwa kuti tikonzenso zinthu ngati gwero lokulitsa makhiristo a SiC. Mipiringidzo ya CVD-SiC ya kukula kwa kristalo imodzi inakonzedwa ngati midadada yophwanyidwa, yosiyana kwambiri ndi mawonekedwe ndi kukula kwake poyerekeza ndi malonda a SiC ufa omwe amagwiritsidwa ntchito popanga PVT, motero khalidwe la SiC single crystal kukula likuyembekezeka kukhala lalikulu. zosiyana. Musanayambe kuyesa kwa SiC single crystal kukula, kuyezetsa makompyuta kunachitidwa kuti akwaniritse kukula kwakukulu, ndipo malo otentha adakonzedwa molingana ndi kukula kwa kristalo imodzi. Pambuyo pakukula kwa kristalo, makhiristo okulirapo adawunikidwa ndi tomography yagawo, mawonekedwe a Micro-Raman, mawonekedwe apamwamba a X-ray, ndi synchrotron white beam X-ray topography.
Chithunzi 1 chikuwonetsa gwero la CVD-SiC lomwe limagwiritsidwa ntchito pakukula kwa PVT kwa makristasi a SiC mu phunziroli. Monga tafotokozera kumayambiriro, zigawo za CVD-SiC zidapangidwa kuchokera ku MTS ndi njira ya CVD ndikuwumbidwa kuti zigwiritsidwe ntchito pa semiconductor pogwiritsa ntchito makina. N idayikidwa munjira ya CVD kuti ikwaniritse ma conductivity a semiconductor process application. Pambuyo pogwiritsira ntchito njira za semiconductor, zigawo za CVD-SiC zinaphwanyidwa kuti zikonzekere gwero la kukula kwa kristalo, monga momwe tawonetsera pa Chithunzi 1. Gwero la CVD-SiC linakonzedwa ngati mbale zokhala ndi makulidwe a ~ 0.5 mm ndi pafupifupi tinthu tating'onoting'ono 49.75 mm.
Chithunzi 1: Gwero la CVD-SiC lokonzedwa ndi ndondomeko ya CVD ya MTS.
Pogwiritsa ntchito gwero la CVD-SiC lomwe likuwonetsedwa mu Chithunzi 1, makhiristo a SiC adakula ndi njira ya PVT mu ng'anjo yotentha yolowera. Kuti muwone momwe kutentha kumagawira kumadera otentha, kachidindo ka VR-PVT 8.2 (STR, Republic of Serbia) kanagwiritsidwa ntchito. The riyakitala ndi zone matenthedwe anali chitsanzo monga 2D axisymmetric chitsanzo, monga chithunzi 2, ndi mauna chitsanzo chake. Zipangizo zonse zomwe zimagwiritsidwa ntchito pofanizira zikuwonetsedwa mu Chithunzi 2, ndipo katundu wawo walembedwa mu Table 1. Malingana ndi zotsatira zofananira, makristasi a SiC anakula pogwiritsa ntchito njira ya PVT pa kutentha kwa 2250-2350 ° C mu Ar atmosphere. Kuphika 35 kwa maola 4. Chophika cha 4 ° off-axis 4H-SiC chidagwiritsidwa ntchito ngati mbewu ya SiC. Makhiristo okulirapo adawunikidwa ndi ma micro-Raman spectroscopy (Witec, UHTS 300, Germany) ndi XRD (HRXRD, X'Pert-PROMED, PANalytical, Netherlands). Kuchuluka kwa zonyansa mu makhiristo okulirapo a SiC adawunikidwa pogwiritsa ntchito mawonekedwe amphamvu a ion mass spectrometry (SIMS, Cameca IMS-6f, France). Kusasunthika kwa makhiristo okulirapo adawunikidwa pogwiritsa ntchito synchrotron white beam X-ray topography pa Pohang Light Source.
Chithunzi 2: Chithunzi cha zone yotentha ndi mtundu wa mesh wa kukula kwa PVT mu ng'anjo yotenthetsera.
Popeza njira za HTCVD ndi PVT zimakula makhiristo pansi pa gawo lolimba la gasi kutsogolo kwa kukula, kukula kofulumira kwa SiC ndi njira ya HTCVD kunayambitsa vuto la kukula kofulumira kwa SiC ndi njira ya PVT mu phunziroli. Njira ya HTCVD imagwiritsa ntchito gasi yomwe imayendetsedwa mosavuta, pamene njira ya PVT imagwiritsa ntchito gwero lolimba lomwe silimayendetsa mwachindunji kutuluka. Kuthamanga kwachangu komwe kumaperekedwa kutsogolo kwa kukula mu njira ya PVT kungathe kuyendetsedwa ndi mlingo wa sublimation wa gwero lolimba kupyolera mu kayendetsedwe ka kugawa kwa kutentha, koma kuwongolera bwino kwa kugawa kwa kutentha m'machitidwe akukula kothandiza sikuli kosavuta kukwaniritsa.
Powonjezera kutentha kwa gwero mu PVT riyakitala, kuchuluka kwa kukula kwa SiC kumatha kukulitsidwa ndikuwonjezera kuchuluka kwa sublimation kwa gwero. Kuti mukwaniritse kukula kokhazikika kwa kristalo, kuwongolera kutentha patsogolo pakukula ndikofunikira. Kuti muwonjezere kukula popanda kupanga ma polycrystals, kutentha kwapamwamba kumafunika kukwaniritsidwa kutsogolo kwa kukula, monga momwe SiC ikukulirakulira kudzera mu njira ya HTCVD. Osakwanira ofukula kutentha conduction kumbuyo kwa kapu ayenera dissipate anasonkhanitsa kutentha pa kukula kutsogolo kudzera matenthedwe matenthedwe kwa kukula pamwamba, zikubweretsa mapangidwe owonjezera pamalo, mwachitsanzo, polycrystalline kukula.
Njira zonse zosinthira misa ndi recrystallization mu njira ya PVT ndizofanana kwambiri ndi njira ya HTCVD, ngakhale zimasiyana mugwero la SiC. Izi zikutanthauza kuti kukula kofulumira kwa SiC kumathekanso pamene mlingo wa sublimation wa gwero la SiC uli wokwanira. Komabe, kupeza makhiristo apamwamba a SiC pakukula kwakukulu kudzera mu njira ya PVT kuli ndi zovuta zingapo. Ufa wamalonda nthawi zambiri umakhala ndi tinthu tating'onoting'ono ndi akulu. Chifukwa cha kusiyana kwa mphamvu pamtunda, tinthu tating'onoting'ono timakhala ndi zonyansa zambiri ndipo zimakhala zochepa kwambiri pamaso pa tinthu tating'onoting'ono, zomwe zimapangitsa kuti zikhale zonyansa kwambiri kumayambiriro kwa kukula kwa kristalo. Kuonjezera apo, pamene SiC yolimba imawola kukhala mitundu ya nthunzi monga C ndi Si, SiC2 ndi Si2C pa kutentha kwakukulu, C yolimba imapanga pamene SiC gwero la sublimates mu njira ya PVT. Ngati cholimba chopangidwa ndi C ndi chaching'ono komanso chowala mokwanira, pansi pa kukula kwachangu, tinthu tating'ono ta C, tomwe timatchedwa "C fumbi," tingatengedwe kupita kumtunda wa kristalo ndi kusamutsidwa kwakukulu kwamphamvu, zomwe zimapangitsa kuti kristaloyo ikhale yaikulu. Chifukwa chake, kuti muchepetse zodetsa zachitsulo ndi fumbi la C, kukula kwa tinthu ta gwero la SiC nthawi zambiri kumayenera kuyang'aniridwa mpaka mainchesi ochepera 200 μm, ndipo kukula kwake sikuyenera kupitilira ~ 0.4 mm / h kuti musunge kusuntha kwapang'onopang'ono ndikupatula kuyandama. C fumbi. Zodetsa zachitsulo ndi fumbi la C zimatsogolera ku kuwonongeka kwa makristalo okulirapo a SiC, zomwe ndizo zopinga zazikulu zakukula kwa SiC kudzera mu njira ya PVT.
Phunziroli, magwero ophwanyidwa a CVD-SiC opanda tinthu tating'ono adagwiritsidwa ntchito, ndikuchotsa fumbi la C loyandama pansi pa kutengerapo kwakukulu. Chifukwa chake, mawonekedwe opangira matenthedwe adapangidwa pogwiritsa ntchito njira ya PVT yofananira ndi ma multiphysics kuti akwaniritse kukula kofulumira kwa SiC, komanso kugawa kofananira kwa kutentha ndi kutentha kumawonetsedwa mu Chithunzi 3a.
Chithunzi 3: (a) Kugawa kwa kutentha ndi kutsika kwa kutentha pafupi ndi kukula kwa kutsogolo kwa PVT reactor yopezedwa ndi kusanthula kwazinthu zomaliza, ndi (b) kugawa kwa kutentha kofanana ndi mzere wa axisymmetric.
Poyerekeza ndi makonzedwe anthawi zonse otenthetsera kuti akule makhiristo a SiC pamlingo wa kukula kwa 0.3 mpaka 0.8 mm/h pansi pa kutentha pang'ono kosakwana 1 °C/mm, zokonda zotentha mu phunziroli zimakhala ndi kutentha kwakukulu kwa ~ ~ 3.8 °C/mm pa kukula kwa kutentha kwa ~2268°C. Kutentha kwa kutentha mu phunziroli ndikufanana ndi kukula kwa SiC pa mlingo wa 2.4 mm / h pogwiritsa ntchito njira ya HTCVD, kumene kutentha kwa kutentha kumayikidwa ~ 14 ° C / mm. Kuchokera pakugawanika kwa kutentha kwachiwonekere mu Chithunzi 3b, tinatsimikizira kuti palibe kutentha komweko komwe kungapangitse ma polycrystals omwe analipo pafupi ndi kutsogolo kwa kukula, monga momwe tafotokozera m'mabuku.
Pogwiritsa ntchito dongosolo la PVT, makristasi a SiC anakula kuchokera ku gwero la CVD-SiC kwa maola 4, monga momwe tawonetsera mu Zithunzi 2 ndi 3. Woimira SiC crystal kukula kwa SiC wamkulu akuwonetsedwa mu Chithunzi 4a. Kukula ndi kukula kwa SiC crystal yomwe ikuwonetsedwa mu Chithunzi 4a ndi 5.84 mm ndi 1.46 mm / h, motsatira. Zotsatira za gwero la SiC pa khalidwe, polytype, morphology, ndi chiyero cha SiC crystal yomwe yakula yomwe ikuwonetsedwa mu Chithunzi 4a inafufuzidwa, monga momwe tawonetsera mu Zithunzi 4b-e. Chithunzi cha cross-sectional tomography mu Chithunzi 4b chikuwonetsa kuti kukula kwa kristalo kunali kowoneka ngati kotukukira chifukwa cha kukula kocheperako. Komabe, mawonekedwe a Micro-Raman mu Chithunzi 4c adazindikira kristalo wokulirapo ngati gawo limodzi la 4H-SiC popanda polytype inclusions. Mtengo wa FWHM wa (0004) wopezedwa kuchokera ku X-ray rocking curve analysis unali 18.9 arcseconds, kutsimikiziranso khalidwe labwino la kristalo.
Chithunzi 4: (a) SiC crystal yomwe imakula (kukula kwa 1.46 mm / h) ndi zotsatira zake zowunika ndi (b) cross-sectional tomography, (c) micro-Raman spectroscopy, (d) X-ray rocking curve, ndi ( e) Kujambula kwa X-ray.
Chithunzi 4e chikuwonetsa chithunzithunzi choyera cha X-ray chozindikiritsa zokala ndi ulusi wopindika mumkate wopukutidwa wa kristalo wokulirapo. Kachulukidwe kakachulukidwe ka kristalo wokulirapo adayesedwa kuti ndi ~3000 ea/cm², okwera pang'ono kuposa kusasunthika kwa kristalo wambewu, komwe kunali ~2000 ea/cm². Ma kristalo omwe adakula adatsimikizika kuti ali ndi kachulukidwe kakang'ono kamene kamasokonekera, kufananiza ndi mtundu wa kristalo wa zophika zamalonda. Chochititsa chidwi n'chakuti, kukula kofulumira kwa makristasi a SiC kunapezedwa pogwiritsa ntchito njira ya PVT ndi gwero lophwanyidwa la CVD-SiC pansi pa kutentha kwakukulu. Kuchuluka kwa B, Al, ndi N mu kristalo wokulirapo kunali 2.18 × 10¹⁶, 7.61 × 10¹⁵, ndi 1.98 × 10¹⁹ maatomu/cm³, motsatana. Kuchuluka kwa P mu kristalo wokulirapo kunali pansi pa malire ozindikira (<1.0 × 10¹⁴ maatomu/cm³). Zodetsa zodetsa zinali zochepa kwambiri kwa onyamula, kupatulapo N, yomwe idapangidwa mwadala panthawi ya CVD.
Ngakhale kukula kwa kristalo mu phunziroli kunali kochepa poganizira zamalonda, kuwonetsera bwino kwa kukula kwa SiC mofulumira ndi khalidwe labwino la kristalo pogwiritsa ntchito gwero la CVD-SiC kupyolera mu njira ya PVT ili ndi zotsatira zake. Popeza magwero a CVD-SiC, ngakhale kuti ali ndi katundu wabwino kwambiri, ndi okwera mtengo kwambiri pokonzanso zinthu zotayidwa, tikuyembekeza kuti kugwiritsidwa ntchito kwawo kwakukulu monga gwero la SiC lolonjeza kuti lilowe m'malo mwa magwero a ufa a SiC. Kuti mugwiritse ntchito magwero a CVD-SiC kuti akule mofulumira kwa SiC, kukhathamiritsa kugawidwa kwa kutentha mu dongosolo la PVT kumafunika, kubweretsa mafunso ena pa kafukufuku wamtsogolo.
Mapeto
Mu phunziro ili, kuwonetsera bwino kwa kukula kwa kristalo wa SiC pogwiritsa ntchito midadada ya CVD-SiC yophwanyidwa pansi pa kutentha kwapamwamba kwambiri kudzera mu njira ya PVT inapezedwa. Chochititsa chidwi n'chakuti, kukula kofulumira kwa makristasi a SiC kunadziwika posintha gwero la SiC ndi njira ya PVT. Njirayi ikuyembekezeredwa kuti iwonjezere kwambiri kupanga kwakukulu kwa makina a SiC single crystals, potsirizira pake kuchepetsa mtengo wa magawo a SiC substrates ndikulimbikitsa kufalikira kwa zipangizo zamagetsi zogwira ntchito kwambiri.
Nthawi yotumiza: Jul-19-2024