SiC kristal bakarreko erabilera azkarraren hazkundeaCVD-SiC BulkSublimazio metodoaren bidez iturria
Birziklatuak erabilizCVD-SiC blokeakSiC iturri gisa, SiC kristalak arrakastaz hazi ziren 1,46 mm/h-ko abiaduran PVT metodoaren bidez. Hazitako kristalaren mikrohodiak eta dislokazio-dentsitateek adierazten dute hazkunde-tasa handia izan arren, kristalaren kalitatea bikaina dela.
Silizio karburoa (SiC)banda zabaleko erdieroalea da, propietate bikainak dituena, tentsio handiko, potentzia handiko eta maiztasun handiko aplikazioetarako. Bere eskaria azkar hazi da azken urteotan, batez ere potentzia erdieroaleen alorrean. Potentzia erdieroaleen aplikazioetarako, SiC kristal bakarrak 2100-2500 °C-tan purutasun handiko SiC iturria sublimatuz hazten dira, gero hazi-kristal batean birkristalizatuz, lurrun-garraio fisikoa (PVT) metodoa erabiliz, eta ondoren prozesatzen dira obleetan kristal bakarreko substratuak lortzeko. . Tradizionalki,SiC kristalakPVT metodoa erabiliz hazten dira 0,3 eta 0,8 mm/h-ko hazkuntza-tasa batean, kristalinitatea kontrolatzeko, eta hori nahiko motela da erdieroaleen aplikazioetan erabiltzen diren beste kristal bakarreko materialekin alderatuta. SiC kristalak PVT metodoa erabiliz hazkuntza-tasa handietan hazten direnean, ez da baztertu kalitatearen degradazioa karbono-inklusioak, purutasun murriztua, hazkunde polikristalinoa, ale-mugaren eraketa eta dislokazio- eta porositate-akatsak barne. Hori dela eta, SiC-ren hazkunde azkarra ez da garatu, eta SiC-ren hazkunde-tasa motela oztopo handia izan da SiC substratuen produktibitatearentzat.
Bestalde, SiC-aren hazkunde azkarrari buruzko azken txostenak tenperatura altuko lurrun-deposizio kimikoaren (HTCVD) metodoak erabiltzen ari dira PVT metodoa baino. HTCVD metodoak Si eta C dituen lurrun bat erabiltzen du erreaktorean SiC iturri gisa. HTCVD oraindik ez da erabili eskala handiko SiC ekoizteko eta ikerketa eta garapen gehiago behar du merkaturatzeko. Interesgarria da, nahiz eta ~3 mm/h-ko hazkuntza-tasa handia izan, SiC kristal bakarrekoak kristal kalitate onarekin hazi daitezke HTCVD metodoa erabiliz. Bien bitartean, SiC osagaiak prozesu erdieroaleetan erabili izan dira purutasun handiko prozesu kontrola behar duten ingurune gogorretan. Prozesu erdieroaleen aplikazioetarako, %99,9999 (~6N) purutasun SiC osagaiak CVD prozesuaren bidez prestatzen dira normalean metiltriclorosilanotik (CH3Cl3Si, MTS). Hala ere, CVD-SiC osagaien purutasun handia izan arren, erabili ondoren baztertu egin dira. Berriki, baztertutako CVD-SiC osagaiak kristalen hazkuntzarako SiC iturritzat hartu dira, nahiz eta birrinketa eta arazketa barne berreskuratzeko prozesu batzuk oraindik beharrezkoak diren kristalen hazkuntza iturri baten eskakizun handiak asetzeko. Ikerketa honetan, baztertutako CVD-SiC blokeak erabili ditugu materialak birziklatzeko SiC kristalak hazteko iturri gisa. Kristal bakarreko hazkuntzarako CVD-SiC blokeak tamaina kontrolatutako bloke xehatu gisa prestatu ziren, forma eta tamaina nabarmen desberdinak PVT prozesuan erabili ohi den SiC hauts komertzialarekin alderatuta, beraz, SiC kristal bakarreko hazkuntzaren portaera nabarmena izango zela espero zen. desberdinak. SiC kristal bakarreko hazkuntzako esperimentuak egin aurretik, ordenagailu bidezko simulazioak egin ziren hazkunde-tasa handiak lortzeko, eta zona termikoa horren arabera konfiguratu zen kristal bakarreko hazkuntzarako. Kristalak hazi ondoren, hazitako kristalak zeharkako tomografia, mikro-Raman espektroskopia, bereizmen handiko X izpien difrakzioa eta sinkrotroi izpi zuriko X izpien topografiaren bidez ebaluatu ziren.
1. irudiak ikerketa honetan SiC kristalen PVT hazkuntzarako erabilitako CVD-SiC iturria erakusten du. Sarreran deskribatzen den moduan, CVD-SiC osagaiak MTStik sintetizatu ziren CVD prozesuaren bidez eta erdieroaleak erabiltzeko prozesamendu mekanikoaren bidez moldatu ziren. N CVD prozesuan dopatu zen erdieroaleen prozesuen aplikazioetarako eroankortasuna lortzeko. Prozesu erdieroaleetan erabili ondoren, CVD-SiC osagaiak xehatu ziren kristalen hazkuntzarako iturria prestatzeko, 1. Irudian ikusten den moduan. CVD-SiC iturria ~0,5 mm-ko batez besteko lodiera eta batez besteko partikulen tamainako plaka gisa prestatu zen. 49,75 mm.
1. irudia: CVD-SiC iturria MTSn oinarritutako CVD prozesuak prestatua.
1. Irudian erakusten den CVD-SiC iturria erabiliz, SiC kristalak PVT metodoaren bidez hazi ziren indukziozko berokuntza-labe batean. Zona termaleko tenperatura-banaketa ebaluatzeko, simulazio-kode komertziala VR-PVT 8.2 (STR, Serbiako Errepublika) erabili zen. Zona termikoa duen erreaktorea 2D eredu axisimetriko gisa modelatu da, 2. Irudian ikusten den bezala, bere sare-ereduarekin. Simulazioan erabilitako material guztiak 2. irudian ageri dira, eta haien propietateak 1. taulan ageri dira. Simulazioaren emaitzen arabera, SiC kristalak PVT metodoa erabiliz hazi ziren 2250-2350 °C-ko tenperatura tartean Ar atmosfera batean. 35 Torr 4 orduz. 4°-ko ardatzetik kanpo 4H-SiC ostia bat erabili zen SiC hazi gisa. Hazitako kristalak mikro-Raman espektroskopia bidez (Witec, UHTS 300, Alemania) eta bereizmen handiko XRD (HRXRD, X'Pert-PROMED, PANalytical, Herbehereak) ebaluatu ziren. Hazitako SiC kristaletan ezpurutasun-kontzentrazioak ioi sekundarioko masa-espektrometria dinamikoaren bidez ebaluatu ziren (SIMS, Cameca IMS-6f, Frantzia). Hazitako kristalen dislokazio-dentsitatea Sinkrotroi izpi zuriko X izpien topografia erabiliz ebaluatu zen Pohang Argi iturrian.
2. Irudia: Zona termikoen diagrama eta PVT hazkuntzaren sare-eredua indukziozko berokuntza-labe batean.
HTCVD eta PVT metodoek kristalak hazten direnez gas-solido-fasearen orekan hazkundearen aurrean, HTCVD metodoaren SiC-ren hazkunde azkarra arrakastatsuak PVT metodoaren SiC-ren hazkuntza azkarraren erronka bultzatu zuen ikerketa honetan. HTCVD metodoak fluxua erraz kontrolatzen duen gas-iturri bat erabiltzen du, eta PVT metodoak zuzenean fluxua kontrolatzen ez duen iturri solido bat erabiltzen du. PVT metodoan hazkuntza-fronteari ematen zaion emaria iturri solidoaren sublimazio-tasaren arabera kontrola daiteke tenperatura-banaketaren kontrolaren bidez, baina hazkuntza-sistema praktikoetan tenperatura-banaketaren kontrol zehatza ez da erraza lortzen.
PVT erreaktorean iturriaren tenperatura handituz, SiC-ren hazkuntza-tasa handitu daiteke iturriaren sublimazio-tasa handituz. Kristalen hazkuntza egonkorra lortzeko, hazkundearen frontean tenperatura kontrolatzea funtsezkoa da. Hazkunde-tasa polikristalak eratu gabe handitzeko, tenperatura altuko gradiente bat lortu behar da hazkuntza frontean, HTCVD metodoaren bidez SiC hazkundeak erakusten duen moduan. Txapelaren atzealderako bero-eroapen bertikal desegokiak hazkuntza-frontoan metatutako beroa barreiatu beharko luke erradiazio termikoaren bidez hazkuntza-azalera, gehiegizko gainazalak sortuz, hau da, hazkuntza polikristalinoa.
PVT metodoan masa-transferentzia eta birkristalizazio prozesuak HTCVD metodoaren oso antzekoak dira, SiC iturrian desberdinak diren arren. Horrek esan nahi du SiC-ren hazkunde azkarra ere lor daitekeela SiC iturriaren sublimazio-tasa nahikoa altua denean. Hala ere, PVT metodoaren bidez kalitate handiko SiC kristal bakarreak hazkuntza handiko baldintzetan lortzeak hainbat erronka ditu. Hauts komertzialek normalean partikula txiki eta handien nahasketa bat izaten dute. Gainazaleko energia-desberdintasunen ondorioz, partikula txikiek ezpurutasun-kontzentrazio nahiko handiak dituzte eta partikula handien aurretik sublimatzen dira, kristalaren hasierako hazkuntza-faseetan ezpurutasun-kontzentrazio handiak sortzen direlarik. Gainera, SiC solidoa C eta Si, SiC2 eta Si2C bezalako lurrun-espezieetan deskonposatzen den heinean, C solidoa ezinbestean sortzen da SiC iturria PVT metodoan sublimatzen denean. Osatutako C solidoa nahikoa txikia eta arina bada, hazkuntza azkarreko baldintzetan, C partikula txikiak, "C hautsa" izenez ezagutzen direnak, masa-transferentzia indartsuaren bidez kristalezko gainazalera garraiatu daitezke, hazitako kristalean inklusioak eraginez. Hori dela eta, metalezko ezpurutasunak eta C hautsa murrizteko, SiC iturriaren partikulen tamaina 200 μm baino gutxiagoko diametrora kontrolatu behar da, eta hazkunde-tasa ez da 0,4 mm/h-tik gorakoa izan behar masa-transferentzia motela mantentzeko eta flotazioa baztertzeko. C hautsa. Metalezko ezpurutasunak eta C hautsak hazitako SiC kristalen degradazioa dakar, hauek dira PVT metodoaren bidez SiC azkar hazteko oztopo nagusiak.
Azterketa honetan, partikula txikirik gabeko CVD-SiC iturri birrinduak erabili dira, masa-transferentzia indartsuan flotatzen ari den C hautsa ezabatuz. Horrela, zona termikoen egitura simulazio anitzeko PVT metodoa erabiliz diseinatu zen SiC hazkunde azkarra lortzeko, eta simulatutako tenperatura-banaketa eta tenperatura-gradientea 3a irudian agertzen dira.
3. Irudia: (a) Elementu finituen analisiaren bidez lortutako PVT erreaktorearen hazkuntza frontetik gertu tenperatura-banaketa eta tenperatura-gradientea, eta (b) tenperatura-banaketa bertikala lerro axisimetrikoan zehar.
SiC kristalak 0,3 eta 0,8 mm/h-ko hazkuntza-tasa batean 1 °C/mm baino gutxiagoko tenperatura-gradiente txiki baten pean SiC kristalak hazteko gune termikoen ezarpen tipikoekin alderatuta, ikerketa honetako zona termikoen ezarpenek ∼ tenperatura-gradiente nahiko handia dute. 3,8 °C/mm ~ 2268 °C hazteko tenperaturan. Ikerketa honetako tenperatura-gradientearen balioa HTCVD metodoa erabiliz SiC-ren hazkuntza azkarrarekin 2,4 mm/h-ko abiadurarekin parekoa da, non tenperatura-gradientea ~ 14 °C/mm-ra ezartzen den. 3b irudian erakusten den tenperatura-banaketa bertikaletik, hazkuntza frontetik gertu polikristalak era ditzakeen alderantzizko tenperatura-gradienterik ez zegoela baieztatu genuen, literaturan azaltzen den moduan.
PVT sistema erabiliz, SiC kristalak CVD-SiC iturritik hazi ziren 4 orduz, 2 eta 3. Irudietan erakusten den moduan. 4a Irudian hazitako SiC kristalaren hazkunde adierazgarria ageri da. 4a irudian erakusten den SiC kristalaren lodiera eta hazkuntza-tasa 5,84 mm eta 1,46 mm/h-koak dira, hurrenez hurren. SiC iturriak 4a irudian erakusten den SiC kristal haziaren kalitatean, politipoan, morfologian eta garbitasunean duen eragina ikertu da, 4b-e irudietan erakusten den moduan. 4b irudiko zeharkako tomografia-irudiak kristalen hazkundea ganbil-forma izan zuela erakusten du hazkuntza-baldintza optimoen ondorioz. Hala ere, 4c irudiko mikro-Raman espektroskopiak hazitako kristala 4H-SiC-ren fase bakar gisa identifikatu zuen, inolako politipo inklusiorik gabe. X izpien kulunkariaren analisitik lortutako (0004) gailurraren FWHM balioa 18,9 arkusegundokoa izan zen, kristalaren kalitate ona ere baieztatuz.
4. Irudia: (a) Hazitako SiC kristala (1,46 mm/h-ko hazkuntza-tasa) eta bere ebaluazioaren emaitzak (b) sekzioko tomografiarekin, (c) mikro-Raman espektroskopiarekin, (d) X izpien kulunkariaren kurbarekin eta ( e) X izpien topografia.
4e irudiak X izpi zuriaren topografia erakusten du, hazitako kristalaren oblean leundutako marradurak eta harizko dislokazioak identifikatzen dituena. Hazitako kristalaren dislokazio-dentsitatea ~ 3000 ea/cm²-koa zela neurtu zen, hazi-kristalaren dislokazio-dentsitatea baino pixka bat handiagoa, hau da, ~ 2000 ea/cm²-koa. Hazitako kristalak dislokazio-dentsitate nahiko baxua zuela baieztatu zen, oble komertzialen kristal-kalitatearen parekoa. Interesgarria da SiC kristalen hazkuntza azkarra PVT metodoa erabiliz CVD-SiC iturri xehatu batekin tenperatura-gradiente handi batean. Hazitako kristalean B, Al eta N kontzentrazioak 2,18 × 10¹⁶, 7,61 × 10¹⁵ eta 1,98 × 10¹⁹ atomo/cm³ ziren, hurrenez hurren. Hazitako kristalean P-ren kontzentrazioa detekzio-mugaren azpitik zegoen (<1,0 × 10¹⁴ atomo/cm³). Ezpurutasun-kontzentrazioak nahikoa baxuak ziren karga-eramaileentzat, CVD prozesuan nahita dopatuta zegoen N izan ezik.
Azterketa honetan kristalen hazkundea produktu komertzialak kontuan hartuta eskala txikia izan bazen ere, PVT metodoaren bidez CVD-SiC iturria erabiliz kristal kalitate oneko SiC hazkunde azkarraren erakustaldiak ondorio garrantzitsuak ditu. CVD-SiC iturriak, propietate bikainak izan arren, kostu lehiakorrak direnez baztertutako materialak birziklatuz, haien erabilera zabala espero dugu SiC iturri itxaropentsu gisa SiC hauts iturriak ordezkatzeko. CVD-SiC iturriak SiC-aren hazkuntza azkarrerako aplikatzeko, PVT sisteman tenperatura-banaketa optimizatu behar da, etorkizuneko ikerketetarako galdera gehiago jarriz.
Ondorioa
Ikerketa honetan, tenperatura altuko gradiente baldintzetan CVD-SiC bloke birrinduak erabiliz SiC kristal hazkuntza azkarraren froga arrakastatsua lortu zen PVT metodoaren bidez. Interesgarria da SiC kristalen hazkunde azkarra SiC iturria PVT metodoarekin ordezkatuz gauzatu zen. Metodo honek SiC kristal bakarren eskala handiko ekoizpen-eraginkortasuna nabarmen handituko duela espero da, azken finean, SiC substratuen kostu unitarioa murriztuz eta errendimendu handiko potentzia-gailuen erabilera hedatua sustatuz.
Argitalpenaren ordua: 2024-uzt-19