Kao poluvodič treće{0}}generacije, silicijum karbid (SiC) ima električna i termička svojstva superiornija od silicijumskih, što ga čini jednim od idealnih materijala za proizvodnju visoko-temperaturnih, visoko-frekventnih,-snaga i visoko-naponskih uređaja. SiC je spoj koji se sastoji od silicija i ugljika. Atomi silicija i atomi ugljika formiraju tetraedarsku strukturu. SiC kristali imaju više od 200 poznatih politipova, koji se formiraju naizmjeničnim atomskim slojevima silicija i atomskim slojevima ugljika na različite načine. Najčešći su 3C-SiC (kubična struktura, ili -SiC), 4H-SiC i 6H-SiC (obje heksagonalne strukture, ili -SiC).
3C-SiC
3C-SiC je najjednostavniji SiC politip i ima kubičnu blisko-upakiranu strukturu. U ovoj strukturi, atomi silicijuma i ugljika su raspoređeni na specifičan način u trodimenzionalnom prostoru -formirajući visoko simetričnu kristalnu strukturu. Zbog svoje simetrije, 3C-SiC ima relativno loša elektronska i optička svojstva i trenutno se relativno malo koristi u praktičnim aplikacijama.
4H-SiC i 6H-SiC
Za razliku od 3C-SiC, 4H-SiC i 6H-SiC imaju heksagonalne blisko-pakovane strukture. Ova dva politipa su superiornija od 3C-SiC-a u mobilnosti elektrona, toplotnoj provodljivosti i razmaku pojasa. 4H-SiC ima veću mobilnost elektrona, što ga čini idealnijim za visoko-i visokofrekventne-elektronske uređaje. Najšire se koristi u poljima kao što su nova energetska vozila i 5G komunikacije, a trenutni proizvođači SiC-a uglavnom proizvode 4H-SiC. 6H-SiC ima veći pojas i stoga radi bolje u okruženjima visoke{20}temperature i visokog{21}radijacije.
Tehnologije rasta za SiC monokristale
Trenutno, glavne tehnologije koje se koriste za rast kristala SiC uključuju fizički transport pare (PVT), visoko{0}}hemijsko taloženje pare na visokim temperaturama (HTCVD) i rast -toplih rastvora (TSSG). Među njima, PVT je trenutno najzrelija i najraširenija metoda rasta SiC jednog{3}}kristala u Kini i inostranstvu.
Metoda fizičkog transporta pare (PVT).
Fizički transport pare (PVT) je široko prihvaćena metoda za komercijalni rast SiC monokristala. Razvijen je iz Lely metode, koju je razvio Lely 1955. godine kroz proces sublimacije. Međutim, Lely metoda ne može efikasno kontrolisati rast pojedinačnih-kristala. Godine 1977. Tairov i Tsvetkov su bili prvi koji su koristili sublimaciju zasijavanja za uzgoj SiC monokristala; ova metoda se također naziva "modificirana Lely metoda" ili PVT metoda.
U PVT-u, sjemenski kristal se postavlja na vrh grafitnog lončića, a SiC prašak- visoke čistoće se postavlja na dno. Izvan lončića je termoizolacijski sloj; indukcijski grijač je izvan izolacijskog sloja, a rashladna voda je unutar zavojnice. Unutar lončića, kontroliranjem temperature i temperaturnog gradijenta, SiC prah se pretvara u plinovito stanje i transportira do kristala sjemena, gdje zatim dolazi do rasta kristala. Sirovi materijal za PVT je SiC prah visoke{4}}čistoće, a temperatura rasta je 2100 stepeni -2500 stepeni. Trenutno, neki domaći proizvođači SiC koriste ovu metodu kao svoju glavnu proizvodnu metodu. Njegovi nedostaci su visoka temperatura rasta, velika potrošnja energije i visoka cijena; Narasli kristali imaju mnogo nedostataka, koji utiču na performanse uređaja i životni vek.
Iako je tehnologija rasta PVT SiC već vrlo zrela, slijedeći problemi ostaju u stvarnoj proizvodnji: U PVT rastu SiC monokristala lako dolazi do politipskih prijelaza, što dovodi do polikristalnih inkluzija. Kontrola jednog politipa tokom rasta kristala SiC je složeno pitanje. Uzimajući uobičajene monokristale 4H-SiC kao primjer, na stabilan rast jednog politipa utiču mnogi faktori, uključujući polaritet kristala sjemena, temperaturu rasta, pritisak rasta, omjer parne-faze Si/C i tip dopinga, što znači da precizna regulacija SiC politipa postaje teža. Precizna kontrola temperature u peći tokom PVT rasta monokristala SiC takođe ostaje veliki izazov. Osim toga, PVT se oslanja na transport plina i procese reakcije na visokim temperaturama, što postavlja visoke zahtjeve za protok plina, kinetiku reakcije itd.
Metoda visokotemperaturnog hemijskog taloženja pare (HTCVD).
U metodi visokotemperaturnog hemijskog taloženja parom (HTCVD), SiC kristal se stavlja u lonac napravljen od grafita. Silan i gas-prekursor-koji sadrži ugljenik kao sirovine kontinuirano ulaze u lončić kroz reaktor na dnu. Silan zatim direktno pirolizira u klastere Si, koji reaguju sa ugljovodonicima (CxHy) u gasu prekursoru koji sadrži ugljik- da bi se formirao SiC monokristal ispod začetnog kristala.
U poređenju sa PVT-om, HTCVD koristi sirovine veće -čistoće i može precizno kontrolisati brzinu dodavanja sirovog materijala, omjer C/Si i temperaturu rasta tokom rasta, čime se proizvode -kvalitetniji SiC kristali. Osim toga, direktna piroliza nosećeg plina daje HTCVD-u veću energetsku efikasnost od drugih metoda, a -brzi plin-nosač pomaže klasterima dobivenim pirolizom da dođu do SiC kristala, tako da HTCVD raste kristale SiC brže od drugih metoda.
HTCVD ima prednosti kao što su visok kvalitet kristala, brza stopa rasta i kontinuirano hranjenje. Međutim, budući da su oprema za rast i plinovi visoke{1}}čistoće skupi, ova metoda ima visoke troškove proizvodnje i njen proces komercijalizacije je spor. U isto vrijeme, u HTCVD rastu monokristala SiC, jer se SiH4 i C3H8 moraju razgraditi na visokoj temperaturi i podvrgnuti različitim reakcijama prije nego što konačno rastu kristali na SiC sjemenu, ako se izvorni plin prebrzo razgradi, ulaz plina će biti blokiran; ako se izvorni plin raspada presporo, neizreagirani plin će ostati na izlazu plina i uzrokovati blokadu. Ovo čini HTCVD SiC opremu za rast pojedinačnih{7}}kristala relativno nestabilnom. Osim toga, dosadašnja istraživanja o HTCVD-u su nedovoljna, proces još nije zreo i još je u fazi istraživanja i razvoja, tako da HTCVD rast SiC monokristala nije široko korišten u industriji.
Vrh{0}}Metoda rasta sa sjemenom otopinom (TSSG).
U metodi rasta-rastvora sa najvećom -otopinom (TSSG), izvor silicijuma je talina silicijuma, a izvor ugljika je grafitni lončić visoke -lonce. Ispod 2000 stepeni, rastvorljivost ugljenika u topljenju silicijuma je manja od 1%, što otežava postizanje molarnog odnosa Si:C=1:1 potrebnog za rast kristala SiC. Čak i na 2800 stepeni, rastvorljivost ugljenika u silicijumu je samo 19%. Stoga, u stvarnim eksperimentima rasta kristala SiC u tečnoj-fazi, potrebno je dodati neke fluksove kako bi se povećala rastvorljivost ugljika u-otopini na visokoj temperaturi. Uobičajeni tokovi uključuju Cr, Fe, Ti, itd. Tokom rasta kristala, ugljenik u grafitnom lončiću se postepeno otapa u talinu i transportuje se kroz rastop do kristala, omogućavajući kontinuirano snabdevanje ugljenikom. Kontrolom parametara kao što su brzina rotacije sjemena/lončića, temperaturno polje i trenutna frekvencija i veličina, u talini se formiraju odgovarajući temperaturni gradijenti, gradijenti tlaka i polja protoka, tako da se ugljik može transportirati od stijenke lončića do kristala sjemena. Međutim, u stvarnom rastu, sjemenski kristal se često otapa, a polikristalni materijal se taloži na stijenci lončića i na sjemenu kristala. Stoga, tokom procesa rasta kristala, parametri rasta moraju biti prilagođeni kako bi se cijeli sistem održao u odgovarajućoj dinamičkoj ravnoteži, tako da se može postići kontinuirani rast kristala.
TSSG može pripremiti SiC kristale u blažim uslovima rasta. Također ima tehničke karakteristike kao što su dinamička i precizna regulacija parametara procesa, kontinuirani rast ekspanzije promjera i jednolično visoko p{1}}dopiranje. Postao je jedna od visokokonkurentnih inovativnih tehnologija za niske-cijene, visoko-kvalitetne SiC supstrate. Iako TSSG ima značajne prednosti u pripremi SiC kristala, on takođe ima visoke tehničke barijere, koje se uglavnom ogledaju u brojnim procesnim parametrima koje je potrebno regulisati; svaki neodgovarajući izbor parametara može poremetiti dinamičku ravnotežu tokom rasta kristala i uzrokovati ozbiljne makroskopske defekte.