Som en tredje-generasjons halvleder har silisiumkarbid (SiC) elektriske og termiske egenskaper som er overlegne silisiums, noe som gjør det til et av de ideelle materialene for å lage enheter med høy-temperatur, høy-frekvens, høy-effekt og høy-spenning. SiC er en forbindelse som består av silisium og karbon. Silisiumatomer og karbonatomer danner en tetraedrisk struktur. SiC-krystaller har mer enn 200 kjente polytyper, som er dannet ved å veksle mellom silisiumatomlag og karbonatomlag på forskjellige måter. De vanligste er 3C-SiC (kubisk struktur, eller -SiC), 4H-SiC og 6H-SiC (begge sekskantede strukturer, eller -SiC).
3C-SiC
3C-SiC er den enkleste SiC-polytypen og har en kubisk tett-struktur. I denne strukturen er silisium- og karbonatomer ordnet på en bestemt måte i tre-dimensjonalt rom, og danner en svært symmetrisk krystallstruktur. På grunn av sin symmetri har 3C-SiC relativt dårlige elektroniske og optiske egenskaper og brukes for tiden relativt lite i praktiske applikasjoner.
4H-SiC og 6H-SiC
I motsetning til 3C-SiC, har 4H-SiC og 6H-SiC sekskantede tettpakkede-strukturer. Disse to polytypene er overlegne 3C-SiC når det gjelder elektronmobilitet, termisk ledningsevne og båndgap. 4H-SiC har høyere elektronmobilitet, noe som gjør den mer ideell for høy-elektroniske enheter med høy-effekt. Det er mest brukt i felt som nye energikjøretøyer og 5G-kommunikasjon, og nåværende SiC-produsenter produserer hovedsakelig 4H-SiC. 6H-SiC har et større båndgap og yter derfor bedre i miljøer med høy-temperatur og høy-stråling.
Vekstteknologier for SiC-enkeltkrystaller
For tiden inkluderer hovedteknologiene som brukes for SiC-krystallvekst, fysisk damptransport (PVT), høy-temperatur kjemisk dampavsetning (HTCVD) og topp-oppløsningsvekst (TSSG). Blant dem er PVT for tiden den mest modne og mest brukte SiC-enkelkrystallvekstmetoden i Kina og i utlandet.
Fysisk damptransport (PVT) metode
Fysisk damptransport (PVT) er en mye brukt metode for kommersiell vekst av SiC-enkeltkrystaller. Den ble utviklet fra Lely-metoden, som ble utviklet av Lely i 1955 gjennom en sublimeringsprosess. Lely-metoden kan imidlertid ikke effektivt kontrollere enkelt-vekst. I 1977 var Tairov og Tsvetkov de første som brukte frøsublimering for å dyrke SiC-enkelkrystaller; denne metoden kalles også "modifisert Lely-metoden" eller PVT-metoden.
I PVT plasseres en frøkrystall på toppen av en grafittdigel, og SiC-pulver med høy-renhet er plassert i bunnen. Utenfor digelen er et termisk isolasjonslag; en induksjonsvarmebatteri er utenfor isolasjonslaget, og kjølevann er inne i batteriet. Inne i digelen, ved å kontrollere temperatur og temperaturgradient, omdannes SiC-pulveret til en gassform og transporteres til frøkrystallen, hvor krystallvekst deretter skjer. Råmaterialet for PVT er høy-rent SiC-pulver, og veksttemperaturen er 2100 grader –2500 grader. For tiden bruker noen innenlandske SiC-produsenter denne metoden som sin ordinære produksjonsmetode. Ulempene er høy veksttemperatur, høyt strømforbruk og høye kostnader; de vokste krystallene har mange defekter som påvirker enhetens ytelse og levetid.
Selv om PVT SiC-vekstteknologi allerede er veldig moden, gjenstår følgende problemer i faktisk produksjon: I PVT-veksten av SiC-enkelkrystaller oppstår det lett polytypeoverganger, noe som fører til polykrystallinske inneslutninger. Å kontrollere en enkelt polytype under SiC-krystallvekst er et komplekst problem. Ta mainstream 4H-SiC enkeltkrystaller som et eksempel, stabil vekst av en enkelt polytype påvirkes av mange faktorer, inkludert frøkrystallpolaritet, veksttemperatur, veksttrykk, damp-fase Si/C-forhold og dopingtype, noe som betyr at presis regulering av SiC-polytypen blir vanskeligere. Nøyaktig temperaturkontroll i ovnen under PVT-vekst av SiC-enkeltkrystaller er også fortsatt en stor utfordring. I tillegg er PVT avhengig av gasstransport og reaksjonsprosesser ved høye temperaturer, noe som stiller høye krav til gassstrøm, reaksjonskinetikk og så videre.
Høy-Temperatur Kjemisk Vapor Deposition-metode (HTCVD).
I høy-temperatur kjemisk dampavsetning (HTCVD)-metoden plasseres en SiC-frøkrystall i en digel laget av grafitt. Silan og en karbon-inneholdende forløpergass som råmaterialer kommer kontinuerlig inn i digelen gjennom en bunnreaktor. Silanet pyrolyserer deretter direkte inn i Si-klynger, som reagerer med hydrokarboner (CxHy) i karbon-inneholdende forløpergassen for å danne en SiC-enkeltkrystall under kimkrystallen.
Sammenlignet med PVT, bruker HTCVD råmaterialer med høyere-renhet og kan nøyaktig kontrollere råstofftilførselshastigheten, C/Si-forholdet og veksttemperaturen under vekst, og produserer dermed SiC-krystaller av høyere-kvalitet. I tillegg gir direkte pyrolyse av bærergassen HTCVD høyere energieffektivitet enn andre metoder, og den høye-bæregassen hjelper klyngene som oppnås ved pyrolyse med å nå SiC-frøkrystallen, slik at HTCVD dyrker SiC-krystaller raskere enn andre metoder.
HTCVD har fordeler som høy krystallkvalitet, rask veksthastighet og kontinuerlig fôring. Men fordi vekstutstyret og høy-gasser er dyre, har denne metoden høye produksjonskostnader og kommersialiseringsprosessen er langsom. Samtidig, i HTCVD, vekst av SiC-enkeltkrystaller, fordi SiH4 og C3H8 må dekomponere ved høy temperatur og gjennomgå forskjellige reaksjoner før de endelig vokser krystaller på SiC-frøet, hvis kildegassen brytes ned for raskt, vil gassinnløpet bli blokkert; hvis kildegassen brytes ned for sakte, vil ureagert gass forbli ved gassutløpet og forårsake blokkering. Dette gjør HTCVD SiC enkeltkrystallvekstutstyr relativt ustabilt. I tillegg er dagens forskning på HTCVD utilstrekkelig, prosessen er ennå ikke moden, og den er fortsatt i FoU-stadiet, så HTCVD-veksten av SiC-enkelkrystaller er ikke mye brukt i industrien.
Topp-Seeded Solution Growth-metoden (TSSG).
I TSSG-metoden (top-seeded solution growth) er silisiumkilden en silisiumsmelte, og karbonkilden er en grafittdigel med høy-renhet. Under 2000 grader er løseligheten av karbon i silisiumsmelten mindre enn 1 %, noe som gjør det vanskelig å nå Si:C=1:1 molforholdet som kreves for SiC-krystallvekst. Selv ved 2800 grader er løseligheten av karbon i silisium bare 19%. Derfor, i faktiske eksperimenter med flytende-fase SiC-krystallvekst, må noen flukser tilsettes for å øke løseligheten av karbon i høytemperaturløsningen. Vanlige flukser inkluderer Cr, Fe, Ti osv. Under krystallvekst oppløses karbon i grafittdigelen gradvis i smelten og transporteres gjennom smelten til frøkrystallen, noe som muliggjør en kontinuerlig tilførsel av karbon. Ved å kontrollere parametere som frø/digelrotasjonshastighet, temperaturfelt og strømfrekvens og størrelse, dannes passende temperaturgradienter, trykkgradienter og strømningsfelt i smelten, slik at karbon kan transporteres fra smeltedigelveggen til frøkrystallen. Ved faktisk vekst er imidlertid frøkrystallen ofte oppløst, og polykrystallinsk materiale utfelles ved smeltedigelveggen og ved frøkrystallen. Derfor, gjennom hele krystallvekstprosessen, må vekstparametere justeres for å holde hele systemet i en passende dynamisk likevekt, slik at kontinuerlig krystallvekst kan oppnås.
TSSG kan forberede SiC-krystaller under mildere vekstforhold. Den har også tekniske funksjoner som dynamisk og presis regulering av prosessparametere, kontinuerlig diameterekspansjonsvekst og jevn høy p-doping. Det har blitt en av de svært konkurransedyktige innovative teknologiene for lav-pris, høy-kvalitets SiC-substrater. Selv om TSSG har betydelige fordeler ved fremstilling av SiC-krystaller, har den også høye tekniske barrierer, hovedsakelig reflektert i de mange prosessparametrene som må reguleres; ethvert upassende parametervalg kan forstyrre den dynamiske likevekten under krystallvekst og forårsake alvorlige makroskopiske defekter.