Hiru sic kristal hazkunde teknologia bakarreko teknologiak

SIC kristal bakarrak hazteko metodo nagusiak hauek dira:Lurrunaren garraio fisikoa (PVT), Tenperatura altuko lurrun kimikoen gordailua (HTCVD)etaTenperatura handiko irtenbide hazkundea (HTSG). 1. irudian erakusten den moduan. Horien artean, PVT metodoa da etapa honetan metodo heldua eta erabiliena. Gaur egun, 6 hazbeteko kristal bakarreko kristala industrializatu da, eta 8 hazbeteko kristal bakarra arrakastaz hazten da Estatu Batuetan 2016an. Hala ere, metodo honek mugak ditu, hala nola akats handiko dentsitatea, etekin txikia, diametro zaila eta kostu handia.

HTCVD metodoak SI iturriak eta C iturriaren gasak kimikoki erreakzionatzen duen printzipioa erabiltzen du SIC sortzeko 2100 inguruko tenperatura handiko ingurunean SIC kristal bakarraren hazkundea lortzeko. PVT metodoa bezala, metodo honek hazkunde tenperatura altua ere eskatzen du eta hazkunde kostu handia du. HTSG metodoa aurreko bi metodoetatik desberdina da. Oinarrizko printzipioa SI eta C elementuen desegitea eta birmoldazioa erabiltzea da, SIC kristal bakarraren hazkundea lortzeko. Gaur egun oso erabilitako eredu teknikoa TSSG metodoa da.

Metodo honek sic-ren hazkundea lortu dezake oreka-estatu termodinamiko batean tenperatura baxuagoan (2000 ºC-tik beherakoak) eta hazitako kristalek kalitate handiko, kostu baxuko, diametroaren hedapen erraza eta P letra motako dopin egonkorraren abantailak dituzte. PVT metodoaren ondoren, kalitate handiagoko eta kostu txikiagoko sic kristalak prestatzeko metodo bihurtzea espero da.

1. irudia. SIC Kristal Bakarreko Hiru Hazkunde Teknologien printzipioen diagrama eskematikoa

01 Garapenaren historia eta gaur egungo TSSG hazitako SIC kristal bakarreko egoera

Sek hazteko HTSG metodoak 60 urte baino gehiagoko historia du.

1961ean, Halden et al. Tenperatura altuko SI-ko kristal bakarreko SIC kristal bakarrekoak izan ziren, eta, ondoren, SI + X-ek osatutako tenperatura altuko soluzioaren sic kristal bakarraren hazkundea esploratu zuen SI + X-ek osatzen duten Elementuen Elementuen bat edo gehiago.

1999an, Hofmann et al. Erlangeneko Unibertsitateak Alemanian, Si Fluxu hutsa erabili zuen eta tenperatura handiko eta presio handiko TSSG metodoa erabili zuen SIC kristal bakarrak hazteko 1,4 hazbete eta 1 mm inguruko lodiera lehenengo aldiz.

2000. urtean, prozesua optimizatu zuten eta 20-30 mm-ko diametroa eta 20 mm-ko lodiera izan zuten. Si purua erabiliz, 100-200 ºC-ko presio handiko giroa da.

Orduz geroztik, Japoniako, Frantzian, Txinan eta beste herrialdeetako ikertzaileek arrakasta izan dute TSSG metodoaren bidez SIC kristal substratuen hazkundeari buruzko ikerketak, TSSG metodoa azkar garatu baitzen azken urteotan. Horien artean, Japonia Sumitomo Metal eta Toyota-k ordezkatzen du. 1. taula eta 2. irudia Sumitomo Metalen aurrerapena SIC kristal bakarraren hazkundean eta 3. taulan eta 3. irudian.

Ikerketa talde hau 2016an TSSG metodoaren SIC kristalen hazkundeari buruzko ikerketak egiten hasi zen, eta 2 hazbeteko 4h-sic kristala lortu zuen 10 mm-ko lodiera batekin. Berriki, taldeak 4 hazbeteko 4h-sic kristala izan du arrakastaz, 4. irudian erakusten den moduan.

2. irudia.Sumitomo Metal taldeak lortutako Sic Crystal-en argazki optikoa TSSG metodoa erabiliz

3. irudia.Ty Toyotaren taldearen lorpen adierazgarriak TSSG metodoa erabiliz SIC kristal bakarrak hazten

4. irudia. Fisika Institutuaren, Txinako Zientzien Institutuaren lorpenak, SIC kristal bakarrekoak TSSG metodoa erabiliz

02 TSSG metodoaren bidez SIC kristal bakarreko oinarrizko printzipioak

SICek ez du urtze-punturik presio normaletan. Tenperatura 2000tik gorako ℃ lortzen denean, zuzenean gaitu eta deskonposatuko da. Hori dela eta, ez da bideragarria SIC kristal bakarrak haztea poliki-poliki hoztu eta konposizio bereko SIC urtzea sendotzea, hau da, urtu metodoa.

SI-C Binary fasearen diagramaren arabera, "l + sic" bi fase eskualdean dago SI-Rich End-en, SICen fase likidoa hazteko aukera eskaintzen duena. Hala ere, C for Si puruaren disolbagarritasuna baxua da, beraz, Si urtzeari fluxua gehitzea beharrezkoa da C tenperatura handiko konponbidean C kontzentrazioa handitzen laguntzeko. Gaur egun, HTSG metodoaren bidez SIC kristal bakarrak hazteko modu teknikoa TSSG metodoa da. 5. irudia (a) TSSG metodoaren bidez SIC kristal bakarraren printzipioaren diagrama eskematikoa da.

Horien artean, tenperatura handiko irtenbide termodinamikoen eta solutuen garraio prozesuaren eta kristalen hazkunde-interfazearen propietate termodinamikoen erregulazioa Hornidura-sistema osoan hornidura eta eskariaren oreka dinamiko ona lortzeko. Hazkunde sistema osoan SIC kristal bakarraren hazkundea TSSG metodoaren bidez hobeto konturatzeko gakoa da.

5. irudia. (a) TSSG metodoaren bidez SIC kristal hazkunde bakarraren diagrama eskematikoa; (b) L + sic bi faseko eskualdeko atal longitudinalaren diagrama eskematikoa

03 Tenperatura handiko soluzioen propietate termodinamikoak

Tenperatura handiko soluzioetan nahikoa c disolbatzea TSSG metodoaren bidez SIC kristal bakarrak hazteko gakoa da. Flux elementuak gehitzea modu eraginkorra da C tenperatura handiko soluzioetan C disolbagarritasuna handitzeko.

Aldi berean, fluxu-elementuak gehitzeak tenperatura handiko hazkundearekin lotura estua duten tenperatura handiko soluzioen gainazaleko tentsioa, izozte-puntua eta bestelako parametro termikonamiko batzuk ere arautuko ditu, eta horrela, kristalen hazkuntzan prozesu termodinamiko eta zinetikoei zuzenean eragingo diete. Hori dela eta, fluxuen elementuen aukeraketa da SIC kristal bakarrak hazteko TSSG metodoa lortzeko urrats kritikoena da eta arlo horretan ikerketa fokua da.

Literaturan tenperatura altuko soluzio sistema asko daude, Li-Si, Ti-Si, CR-Si, Fe-Si, SC-SI, Ni-Si eta Co-Si barne. Horien artean, CR-SI eta Fe-SI CR-SI, Ti-SI eta FE-SI sistema bitarrak eta CR-CE-SI bezalako sistema anitzeko sistemak garatu dira eta kristalen hazkunde emaitza onak lortu dituzte.

6. irudian (a) SIC hazkunde tasa eta tenperatura arteko harremana CR-Si, Ti-Si eta Fe-Si-ren hiru sistema desberdinetan agertzen da, Kawanishi et al-ek laburbilduz. Tohoku Unibertsitatea Japonian 2020an.

6 (B) irudian erakusten den moduan, Hyun et al. SI0.56C0.4m0.04 (M = SC, TI, V, CR, MN, FE, CO, NI, CU, RH eta PD) konposizio erlazio bat diseinatu zuen (mn, fe, co, ni, cu, rh eta pd) C.-ren disolbagarritasuna erakusteko.

6. irudia. (a) Relationship between SiC single crystal growth rate and temperature when using different high-temperature solution systems

04 Hazkunde Kinetikaren Erregelamendua

Kalitate handiko SIC kristal bakarrak lortzeko, beharrezkoa da kristal prezipitazioen zinetika arautzea ere. Hori dela eta, SIC kristal bakarrak hazteko TSSG metodoaren beste ikerketa bat tenperatura handiko soluzioetan eta kristal hazkunde interfazean dagoen kinetika erregulatzea da.

Erregulazio bide nagusiak honako hauek dira: hazia kristal eta gurutze-prozesuaren biraketa eta prozesua, tenperatura-eremuaren hazkunde-sisteman, egitura eta tamaina gurutzagarria optimizatzea eta tenperatura handiko soluzioen erregulazioa kanpoko eremu magnetikoaren bidez. Funtsezko helburua tenperatura eremua, fluxu eremua eta solutu-kontzentrazio eremua erregulatzea da tenperatura handiko soluzioaren eta kristalen hazkuntzaren arteko interfazean, tenperatura handiko soluzioaren eta kalitate handiko tamaina handiko kristal handietan hazteko.

Ikerlariek metodo asko probatu dituzte erregelamendu dinamikoa lortzeko, esaterako, Kusunoki et al-ek erabilitako "Erlazio bizkorreko biraketa teknologia". 2006an jakinarazi zuten lanean, eta Daikoku et al-ek garatutako "konponbide konkretuaren hazkunde teknologia".

2014an, Kusunoki et al. Grafito eraztun egitura gehitu da murgiltzeko gida gisa (IG) Gurutzean, tenperatura handiko konponbideen konbekzioaren erregulazioa lortzeko. Grafito eraztunaren tamaina eta posizioa optimizatuz, goranzko soluta garraio modu uniformea ​​tenperatura handiko soluzioan sor daiteke haziaren kristalaren azpitik, eta, horrela, kristal hazkunde tasa eta kalitatea hobetuz, 7. irudian erakusten den moduan.

7. irudia: (a) Gurutzean tenperatura handiko irtenbide fluxuaren eta tenperaturaren banaketaren simulazioa; 

(b) gailu esperimentalaren diagrama eskematikoa eta emaitzen laburpena

05 TSSG metodoaren abantailak SIC kristal bakarrak hazteko

SIC kristal bakarreko TSSG metodoaren abantailak honako alderdi hauetan islatzen dira:

(1) SIC kristal bakarreko tenperatura altuko soluzio metodoak mikrotuboak eta beste makro akatsak konpondu ditzake hazia kristalean, eta, horrela, kristal kalitatea hobetu daiteke. 1999an, Hofmann et al. Mikroskopio optikoaren bidez ikusi eta frogatu da, mikrotuboak SIC kristal bakarrekoak TSSG metodoaren bidez hazteko prozesuan modu eraginkorrean estalita egon daitezkeela, 8. irudian erakusten den moduan.

8. irudia: TSSG metodoaren bidez SIC kristal bakarraren hazkuntzan mikrotubak ezabatzea:

(a) TSSG-k egindako SIC kristalaren mikroografia optikoa transmisio moduan, non hazkunde geruzaren azpiko mikrotubiak argi eta garbi ikus daitezke; 

(b) Eremu bereko mikroografia optikoa hausnarketa moduan, mikrotuboak erabat estalita daudela adieraziz.

(2) PVT metodoarekin alderatuta, TSSG metodoak errazago lor ditzake kristal diametroaren hedapena, eta, horrela, SIC kristal substratu bakarraren diametroa areagotuz, SIC gailuen ekoizpenaren eraginkortasuna hobetuz eta ekoizpen kostuak murriztuz.

Toyota eta Sumitomo Corporation-en ikerketa-talde garrantzitsuek arrakasta handiz lortu dute artifizialki kontrolatzeko kristal diametroaren hedapena "menisko altuera kontrolatzeko teknologia erabiliz, 9. irudian (A) eta B) irudian erakusten den moduan.

9. irudia: a) Meniskoen kontrol teknologiaren diagrama eskema TSSG metodoan; 

(b) Hazkunde angelua aldatu θ Meniskoaren altuera eta teknologia honek lortutako SIC kristalaren alboko ikuspegia; 

(c) 20 h-ko hazkundea 2,5 mm-ko menisko altuera batean; 

d) 10 h-ko hazkundea 0,5 mm-ko menisko altuera batean;

(e) 35 h-ko hazkundea, meniskoaren altuera 1,5 mm-tik balio handiago batera igo da pixkanaka.

(3) PVT metodoarekin alderatuta, TSSG metodoa errazagoa da SIC kristalen p-motako dopaketa egonkorra lortzea. Adibidez, Shirai et al. Toyotak 2014an jakinarazi zuen erresistentzia baxuko 4h-sic kristalak TSSG metodoaren bidez, 10. irudian erakusten den moduan.

10. irudia: (a) TSSG metodoaren bidez hazitako P-Type SIC kristal bakarraren alboko ikuspegia; 

(b) kristalaren atal longitudinal baten argazki optikoa transmititzea; 

(c) Tenperatura handiko soluzio batetik hazitako kristal baten goiko azalera% 3ko edukiarekin (zatiki atomikoa)

06 Ondorioa eta ikuspegia

SIC kristal bakarrak hazteko TSSG metodoak aurrerapen handiak egin ditu azken 20 urteetan, eta talde batzuek kalitate handiko 4 hazbeteko kristal bakarrak hazi dituzte TSSG metodoaren bidez.

Hala ere, teknologia honen garapen gehiagok oraindik aurrerapausoak behar dituzte ondorengo alderdietan:

(1) Irtenbidearen propietate termodinamikoen azterketa sakona;

(2) hazkunde-tasa eta kristal kalitatearen arteko oreka;

(3) kristal hazkunde baldintza egonkorrak ezartzea;

(4) Kontrol dinamikoko teknologia finduaren garapena.

TSSG metodoa PVT metodoaren atzean zertxobait zertxobait zertxobait da, izan ere, TSSG metodoaren bidez, eta hazkunde prozesuan funtsezko teknologiak izan dira. Teknologia hau ere industrializatuko da, eta horrela, TSSG metodoaren potentzial osoa emanez, SIC kristal bakarrak eta sustatzea eta sustatzea SIC industriaren garapen azkarra gidatzea.