Моделирование сублимационного роста объемных кристаллов широкозонных полупроводников

Деятельность Софт-Импакта в области роста кристаллов широкозонных полупроводников включает разработку и применение современных моделей сублимационного роста карбида кремния (SiC) и нитрида алюминия (AlN). Мы предлагаем решения основных проблем, возникающих в данных процессах, производя анализ тепловых полей в ростовых системах и предсказание формы выращенного кристалла, изменения во времени скорости роста и структуры источника, динамики дефектов, и др.

Рис.1. Схематическое изображение системы для роста кристаллов SiC.

В последнее время широкозонные полупроводниковые материалы находят все более широкое применение в силовой электронике и оптоэлектронике. Тем не менее, дальнейшее развитие их применения ограничивается высокой стоимостью и недостаточным количеством высококачественных подложек большого диаметра, пригодных для производства приборных гетероструктур. Основным методом получения таких подложек является сублимационный рост. Теоретический анализ всего многообразия физических явлений, вовлеченных в процесс сублимационного роста, проводимый на основе специализированного программного обеспечения, позволяет достичь наилучшего понимания различных аспектов технологии, необходимого для производства качественных кристаллов.

Выращивание кристаллов сублимационным методом осуществляется при высоких температурах в замкнутых или полузамкнутых ростовых тиглях и включает в себя сублимацию выступающего в роли источника поликристаллического материала, располагающегося в горячей области, перенос активных паров через камеру роста и их осаждение на подложке, располагающейся в относительно холодной зоне. Качество выращиваемых кристаллов в сублимационной технологии в значительной степени определяется распределением температуры в ростовой системе, которое одновременно влияет на форму получаемых кристаллов, изменение структуры источника в процессе роста, паразитное осаждение поликристалла на стенках ростового тигля, и др.

Характерной особенностью технологии роста объемных кристаллов является изменение ростовых параметров во времени. Ряд факторов, прежде всего, изменение формы кристалла и структуры источника в процессе роста приводят к постепенному изменению скорости роста и качества растущего материала.

В связи с тем, что оптимизация процесса чисто экспериментальным путем требует значительных временных и материальных затрат, пристальное внимание в последнее десятилетие предъявляется к численному моделированию ростового процесса.

Рис. 2. Типичное распределение температуры в ростовой системе.

Разработанная в Софт-Импакте модель сублимационного роста объемных кристаллов включает в себя описание следующих механических и физико-химических процессов:

• Перенос тепла теплопроводностью, конвективный теплообмен и лучистый теплообмен
• Течение многокомпонентной газовой смеси
• Многокомпонентная диффузия
• Гетерогенные химические реакции
• Эволюция фронта кристаллизации
• Массообмен между ростовой камерой и внешним окружением через тонкие щели или поры в ростовом тигле
• Эволюция порошкового источника
• Огранка кристалла
• Динамика дислокаций

Особое значение в сублимационной технологии имеет управление температурным полем в ростовом тигле. В реальной системе мониторинг температуры, производимый в одной или нескольких точках с использованием пирометрических окон во внешних элементах конструкции ростовой системы, обеспечивает информацию о значениях температуры на внешней поверхности. В то же время измерение уровня и распределения температуры внутри тигля, как правило, оказывается невозможным. Теоретический анализ теплового пол в ростовой системе производится с помощью математического моделирования, учитывающего перенос тепла теплопроводностью и лучистый теплообмен.

Рис. 3. Форма кристалла и распределение температуры в ростовой камере на конечной стадии ростового процесса.

Одной из основных проблем, возникающих при математическом моделировании теплообмена в ростовых установках, является недостаток данных о высокотемпературных свойствах используемых материалов, в частности, теплопроводности графита, использующегося в качестве материала тигля при росте SiC, и теплоизоляции. Для обеспечения возможности адекватного описания теплообмена в ростовых системах был разработан ряд современных моделей, позволяющих производить оценку свойств различных графитовых материалов в широком диапазоне температур.

Полученное в результате расчета тепловое поле используется дл решения задачи массопереноса в ростовой камере, что обеспечивает возможность предсказания распределения скорости роста кристалла, испарения источника и, в конечном итоге, формы выращенного кристалла.

Рис. 4. Распределение пористости и картина течения в порошке (слева) и степень графитизации (справа).

Для описания эффектов эволюции структуры порошкового источника в процессе роста была разработана двумерная модель эволюции порошка. Использование данной модели позволило описать интенсивное испарение порошка вблизи горячих стенок ростового тигля, перенос паров активных компонент в относительно холодные области порошка и осаждение в этих зонах пересыщенного пара.

Важной проблемой, решаемой в ходе математического моделировани роста объемных кристаллов, является предсказание динамики дислокаций, включающее в себя как описание формирования дислокаций скольжени за счет термоупругих напряжений в растущем кристалле, так и распространение в процессе роста дислокаций, проникающих из затравочного кристалла.

Рис. 5. Распределение плотности проникающих дислокаций в SiC подложке, вырезанной из кристалла, показанного слева.

Карбид кремния

Рис. 6. Распределение массовой доли Al в ростовой камере.

Кристаллы карбида кремния политипов 6H- и 4H выращиваются, как правило, в графитовых тиглях при высоких температурах в диапазоне 2100—2500°C. Рабочие температуры обеспечиваются применением высокочастотного или резистивного нагрева тигля. Рост производится на SiC подложках. Источник представляет собой засыпку поликристаллического SiC порошка. Пар в ростовой камере содержит, главным образом, активные компоненты перенос которых происходит в атмосфере газа носителя аргона. Эволюция структуры порошка включает в себя как изменение во времени распределения пористости и размера гранул, так и графитизации частиц порошка.

Нитрид алюминия

Объемные кристаллы нитрида алюминия выращиваются сублимационным методом, как правило, в контейнерах из неактивных тугоплавких материалов (вольфрам, нитрид бора) при температурах до 2500°C, в роли источника обоих компонентов выступает поликристаллический AlN.