Cubic silicon carbide crystal growth from high temperature solution
Cristallogenèse de carbure de silicium cubique en solution à haute température
Résumé
Despite outstanding properties, the development of 3C-SiC electronics is still suffering from the lack of bulk 3C-SiC substrates. Up to now, there is no real seed and/or optimized growth processes for this material. We address in this work the bulk growth of 3C-SiC by a solution growth method. The first part addresses the coupled heat transfer and fluid dynamic modeling of the SiC solution growth process, by paying special attention to the different convective flows in the liquid. It is demonstrated that both Marangoni and electromagnetic convections have to be avoided. We propose a configuration where the flow patterns in front of the crystal are driven only by the crystal rotation. For the first time, we have obtained relatively large crystals that can be considered for realization of electronic devices. The coupling between simulations and experiments shows that the three most important parameters for the solution growth of 3C-SiC are: control of convection, control of temperature and choice of the correct seed orientation. We also demonstrate the in-situ doping. N-type and p-type doping as high as 1020 at.cm-3 can be easily achieved. Structural quality of crystal is also evaluated. Characterisations based on Raman spectroscopy, TEM observations and birefringence microscopy reveal high structural quality. Stacking fault density in spontaneous crystals is below 100 cm-1.
Malgré ses propriétés remarquables, le développement de l'électronique basée sur 3C-SiC souffre du manque de substrats massifs. Ce fait résulte de l'absence d'un procédé d'élaboration adapté à ce matériau. Ce travail est dédié à l'étude de la croissance cristalline de 3C-SiC en solution à haute température. Dans un premier temps, le système de croissance a été modélisé en couplant les transferts de chaleur aux mouvements de convection dans la zone de liquide. Nous démontrons que les convections de type Marangoni et d'origine électromagnétique doivent être évitées. Nous proposons une géométrie où la convection autour du cristal est liée uniquement à la rotation du cristal. Nous avons démontré pour la première fois des cristaux de 3C-SiC de taille compatible avec la réalisation de dispositifs électroniques. Le couplage entre les simulations et les expériences montre qu'il existe trois paramètres fondamentaux pour envisager la croissance de 3C-SiC en solution. Ces paramètres sont le contrôle des convections, le contrôle de la température et l'orientation du germe de départ. Nous démontrons aussi le dopage in-situ des cristaux. Des dopages n et p aussi élevés que 1020 at.cm-3 peuvent ainsi être obtenus. La qualité structurale a aussi été évaluée par différentes techniques de caractérisations : spectroscopie Raman, observations TEM, microscope optique et de biréfringence. Les cristaux sont de haute qualité structurale, la densité de fautes d'empilement est inférieure à 100 cm-1.
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