Kao treća{0}}generacija poluvodiča, silicijev karbid (SiC) ima električna i toplinska svojstva bolja od onih silicija, što ga čini jednim od idealnih materijala za izradu visoko-temperaturnih, visoko-frekvencijskih, visoko-snažnih i-naponskih uređaja. SiC je spoj koji se sastoji od silicija i ugljika. Atomi silicija i atomi ugljika tvore tetraedarsku strukturu. Kristali SiC imaju više od 200 poznatih politipova, koji nastaju izmjenom atomskih slojeva silicija i atomskih slojeva 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 politip SiC-a i ima kubičnu tijesno-upakiranu strukturu. U ovoj su strukturi atomi silicija i ugljika raspoređeni na specifičan način u tro-dimenzionalnom prostoru, tvoreći visoko simetričnu kristalnu strukturu. Zbog svoje simetrije, 3C-SiC ima relativno loša elektronska i optička svojstva i trenutno se relativno malo koristi u praktičnim primjenama.
4H-SiC i 6H-SiC
Za razliku od 3C-SiC, 4H-SiC i 6H-SiC imaju heksagonalne blisko-pakirane strukture. Ova dva politipa su superiorniji od 3C-SiC u pokretljivosti elektrona, toplinskoj vodljivosti i razmaku pojasa. 4H-SiC ima veću pokretljivost elektrona, što ga čini idealnijim za visoko-frekventne i-elektroničke uređaje. Najviše se koristi u poljima kao što su nova energetska vozila i 5G komunikacije, a sadašnji proizvođači SiC-a uglavnom proizvode 4H-SiC. 6H-SiC ima veći razmak između pojaseva i stoga radi bolje u okruženjima visoke-temperature i visokog-zračenja.
Tehnologije rasta za SiC monokristale
Trenutačno glavne tehnologije koje se koriste za rast kristala SiC uključuju fizički prijenos pare (PVT), visoko{0}}temperaturno kemijsko taloženje parom (HTCVD) i top-rast otopine s klincima (TSSG). Među njima, PVT je trenutačno najzrelija i najčešće korištena metoda rasta mono-kristala SiC u Kini i inozemstvu.
Metoda fizičkog prijenosa pare (PVT).
Fizički prijenos pare (PVT) široko je prihvaćena metoda za komercijalni rast monokristala SiC. Razvijen je iz Lely metode koju je Lely razvio 1955. godine kroz proces sublimacije. Međutim, Lely metoda ne može učinkovito kontrolirati rast pojedinačnih-kristala. Godine 1977. Tairov i Tsvetkov prvi su upotrijebili zasijanu sublimaciju za uzgoj monokristala SiC; ova metoda se također naziva "modificirana Lely metoda" ili PVT metoda.
Kod PVT-a, klica kristala stavlja se na vrh grafitnog lončića, a SiC prah visoke{0}}čistoće stavlja se na dno. Izvan lončića je toplinski izolacijski sloj; indukcijska zavojnica za grijanje 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 klica kristala, gdje zatim dolazi do rasta kristala. Sirovi materijal za PVT je prah SiC visoke -čistoće, a temperatura rasta je 2100 stupnjeva – 2500 stupnjeva. Trenutačno neki domaći proizvođači SiC-a koriste ovu metodu kao svoju glavnu proizvodnu metodu. Njegovi nedostaci su visoka temperatura rasta, velika potrošnja energije i visoka cijena; uzgojeni kristali imaju mnoge nedostatke koji utječu na performanse uređaja i vijek trajanja.
Iako je PVT SiC tehnologija rasta već vrlo zrela, sljedeći problemi ostaju u stvarnoj proizvodnji: U PVT rastu SiC monokristala lako dolazi do politipskih prijelaza, što dovodi do polikristalnih inkluzija. Kontrola jednog politipa tijekom rasta kristala SiC složeno je pitanje. Uzimajući glavne monokristale 4H-SiC kao primjer, na stabilan rast jednog politipa utječu mnogi čimbenici, uključujući polaritet kristala klice, temperaturu rasta, tlak rasta, omjer par-faze Si/C i vrstu dopinga, što znači da precizna regulacija politipa SiC postaje teža. Precizna kontrola temperature u peći tijekom PVT rasta monokristala SiC također ostaje veliki izazov. Osim toga, PVT se oslanja na transport plina i reakcijske procese pri visokim temperaturama, što postavlja visoke zahtjeve za protok plina, kinetiku reakcije itd.
Metoda-kemijskog taloženja iz pare (HTCVD).
U-metodi kemijskog taloženja iz pare (HTCVD) na visokoj temperaturi, SiC klica kristala stavlja se u lončić napravljen od grafita. Silan i prekursorski plin-koji sadrži ugljik kao sirovine kontinuirano ulaze u lončić kroz donji reaktor. Silan zatim izravno pirolizira u Si klastere, koji reagiraju s ugljikovodicima (CxHy) u plinu prekursoru koji sadrži ugljik- kako bi formirali monokristal SiC ispod kristala klice.
U usporedbi s PVT-om, HTCVD koristi sirovine-više čistoće i može točno kontrolirati brzinu punjenja sirovina, omjer C/Si i temperaturu rasta tijekom rasta, čime se proizvode kristali SiC više{1}}kvalitete. Osim toga, izravna piroliza plina nosača daje HTCVD-u veću energetsku učinkovitost od drugih metoda, a plin-nosač velike-brzine pomaže klasterima dobivenim pirolizom da dođu do SiC klica, tako da HTCVD raste SiC kristale brže od drugih metoda.
HTCVD ima prednosti kao što su visoka kvaliteta kristala, brza stopa rasta i kontinuirano hranjenje. Međutim, budući da su oprema za rast i plinovi visoke -čistoće skupi, ova metoda ima visoke proizvodne troškove i proces njezine komercijalizacije je spor. U isto vrijeme, u HTCVD rastu monokristala SiC, budući da se SiH4 i C3H8 moraju razgraditi na visokoj temperaturi i proći kroz razne reakcije prije konačnog rasta kristala na klici SiC, ako se izvorni plin prebrzo raspadne, ulaz plina će se blokirati; ako se izvorni plin presporo razgrađuje, neizreagirani plin ostat će na izlazu plina i uzrokovati začepljenje. To HTCVD SiC opremu za rast pojedinačnih-kristala čini relativno nestabilnom. Osim toga, trenutna istraživanja o HTCVD-u su nedostatna, proces još nije zreo i još uvijek je u fazi istraživanja i razvoja, tako da HTCVD rast monokristala SiC nije naširoko korišten u industriji.
Top-Seeded Solution Growth (TSSG) metoda
U metodi top-seeded solution growth (TSSG) izvor silicija je talina silicija, a izvor ugljika je grafitni lončić visoke-čistoće. Ispod 2000 stupnjeva, topljivost ugljika u talini silicija manja je od 1%, što otežava postizanje molarnog omjera Si:C=1:1 potrebnog za rast kristala SiC. Čak i na 2800 stupnjeva, topljivost ugljika u siliciju je samo 19%. Stoga, u stvarnim eksperimentima rasta SiC kristala u tekućoj{11}}fazi, potrebno je dodati neke flukseve kako bi se povećala topljivost ugljika u otopini visoke-temperature. Uobičajeni tokovi uključuju Cr, Fe, Ti, itd. Tijekom rasta kristala, ugljik u grafitnom lončiću postupno se otapa u talini i prenosi se kroz talinu do klica kristala, omogućujući kontinuiranu opskrbu ugljikom. Kontroliranjem parametara kao što su brzina rotacije klica/lonca, temperaturno polje te trenutna frekvencija i veličina, u talini se formiraju odgovarajući gradijenti temperature, gradijenti tlaka i polja protoka, tako da se ugljik može transportirati od stijenke lonca do klica kristala. Međutim, u stvarnom rastu, klica kristala je često otopljena, a polikristalni materijal se taloži na stijenci lončića i na klici kristala. Stoga, tijekom procesa rasta kristala, parametri rasta moraju biti prilagođeni kako bi se cijeli sustav održao u odgovarajućoj dinamičkoj ravnoteži, tako da se može postići kontinuirani rast kristala.
TSSG može pripremiti SiC kristale u blažim uvjetima rasta. Također ima tehničke karakteristike kao što su dinamička i precizna regulacija procesnih parametara, kontinuirani rast promjera ekspanzije i ravnomjerno dopiranje visokog p{1}}tipa. Postala je jedna od visoko konkurentnih inovativnih tehnologija za jeftine-cijenovne,-kvalitetne SiC supstrate. Iako TSSG ima značajne prednosti u pripremi SiC kristala, također ima visoke tehničke prepreke, koje se uglavnom ogledaju u brojnim procesnim parametrima koje je potrebno regulirati; svaki neodgovarajući izbor parametra može poremetiti dinamičku ravnotežu tijekom rasta kristala i uzrokovati ozbiljne makroskopske nedostatke.