Като полупроводник от трето-поколение, силициевият карбид (SiC) има електрически и топлинни свойства, по-добри от тези на силиция, което го прави един от идеалните материали за производство на устройства с висока-температура, висока-честота, висока-мощност и високо-напрежение. SiC е съединение, съставено от силиций и въглерод. Силициевите атоми и въглеродните атоми образуват тетраедрична структура. Кристалите SiC имат повече от 200 известни политипа, които се образуват от редуване на силициеви атомни слоеве и въглеродни атомни слоеве по различни начини. Най-често срещаните са 3C-SiC (кубична структура или -SiC), 4H-SiC и 6H-SiC (и двете хексагонални структури или -SiC).
3C-SiC
3C-SiC е най-простият SiC политип и има кубична плътно-опакована структура. В тази структура силициевите и въглеродните атоми са подредени по специфичен начин в три-измерното пространство, образувайки силно симетрична кристална структура. Поради своята симетрия, 3C-SiC има относително лоши електронни и оптични свойства и в момента се използва относително малко в практически приложения.
4H-SiC и 6H-SiC
За разлика от 3C-SiC, 4H-SiC и 6H-SiC имат хексагонални плътно-опаковани структури. Тези два политипа превъзхождат 3C-SiC по подвижност на електрони, топлопроводимост и ширина на лентата. 4H-SiC има по-висока подвижност на електрони, което го прави по-идеален за високо-честотни и-мощни електронни устройства. Той се използва най-широко в области като нови енергийни превозни средства и 5G комуникации, а настоящите производители на SiC произвеждат главно 4H-SiC. 6H-SiC има по-голяма ширина на лентата и следователно се представя по-добре при висока-температура и висока-радиационна среда.
Технологии за растеж на SiC монокристали
Понастоящем основните технологии, използвани за растеж на кристали SiC, включват физическо пренасяне на пари (PVT), високо{0}}температурно химическо отлагане на пари (HTCVD) и растеж на-отгоре разтвор (TSSG). Сред тях, PVT понастоящем е най-зрелият и най-широко използваният SiC монокристален метод за растеж в Китай и в чужбина.
Метод на физическо изпаряване (PVT).
Физическият транспорт на пари (PVT) е широко възприет метод за търговски растеж на монокристали SiC. Той е разработен от метода Lely, разработен от Lely през 1955 г. чрез процес на сублимация. Методът на Lely обаче не може ефективно да контролира растежа на единични-кристали. През 1977 г. Таиров и Цветков са първите, които използват сублимация със зародиши за отглеждане на монокристали SiC; този метод се нарича още "модифициран метод на Lely" или PVT метод.
При PVT зародишен кристал се поставя в горната част на графитен тигел, а на дъното се поставя SiC прах с висока{0}}чистота. Извън тигела е топлоизолационен слой; индукционна нагревателна намотка е извън изолационния слой, а охлаждащата вода е вътре в намотката. Вътре в тигела, чрез контролиране на температурата и температурния градиент, SiC прахът се превръща в газообразно състояние и се транспортира до зародишния кристал, където след това се получава растеж на кристала. Суровината за PVT е SiC прах с висока-чистота и температурата на растеж е 2100 градуса –2500 градуса. Понастоящем някои местни производители на SiC използват този метод като основен производствен метод. Недостатъците му са висока температура на растеж, висока консумация на енергия и висока цена; отгледаните кристали имат много дефекти, които влияят върху производителността и експлоатационния живот на устройството.
Въпреки че PVT технологията за растеж на SiC вече е много зряла, следните проблеми остават в действителното производство: При PVT растежа на SiC монокристали лесно възникват политипни преходи, водещи до поликристални включвания. Контролирането на един политип по време на растежа на SiC кристал е сложен проблем. Вземайки масовите монокристали 4H-SiC като пример, стабилният растеж на единичен политип се влияе от много фактори, включително полярност на зародишните кристали, температура на растеж, налягане на растеж, съотношение на паро-фаза Si/C и тип допиране, което означава, че прецизното регулиране на политипа SiC става по-трудно. Прецизният контрол на температурата в пещта по време на PVT растеж на монокристали SiC също остава огромно предизвикателство. Освен това PVT разчита на транспортиране на газ и реакционни процеси при високи температури, което поставя високи изисквания към газовия поток, кинетиката на реакцията и т.н.
Метод на-високотемпературно химическо отлагане на пари (HTCVD).
При метода за високотемпературно химическо отлагане на пари (HTCVD) зародишен кристал SiC се поставя в тигел, направен от графит. Силанът и въглерод-съдържащият прекурсорен газ като суровини непрекъснато влизат в тигела през дънен реактор. След това силанът директно се пиролизира в SiC клъстери, които реагират с въглеводороди (CxHy) в въглерод-съдържащия прекурсорен газ, за да образуват монокристал SiC под зародишния кристал.
В сравнение с PVT, HTCVD използва суровини с по-висока{0}}чистота и може точно да контролира скоростта на подаване на суровината, съотношението C/Si и температурата на растеж по време на растежа, като по този начин произвежда кристали SiC с по-високо-качество. В допълнение, директната пиролиза на газа носител дава на HTCVD по-висока енергийна ефективност в сравнение с други методи, а високо-скоростният газ носител помага на клъстерите, получени чрез пиролиза, да достигнат зародишния кристал SiC, така че HTCVD отглежда SiC кристали по-бързо от други методи.
HTCVD има предимства като високо качество на кристалите, бърз темп на растеж и непрекъснато хранене. Въпреки това, тъй като оборудването за растеж и високо{1}}чистите газове са скъпи, този метод има високи производствени разходи и процесът му на комерсиализация е бавен. В същото време, при HTCVD растеж на монокристали SiC, тъй като SiH4 и C3H8 трябва да се разложат при висока температура и да претърпят различни реакции, преди окончателно да растат кристали върху SiC семето, ако изходният газ се разложи твърде бързо, входът на газа ще се блокира; ако изходният газ се разлага твърде бавно, нереагиралият газ ще остане на изхода за газ и ще причини запушване. Това прави оборудването за отглеждане на монокристали HTCVD SiC относително нестабилно. В допълнение, текущите изследвания на HTCVD са недостатъчни, процесът все още не е зрял и все още е в етап на научноизследователска и развойна дейност, така че растежът на HTCVD на монокристали SiC не се използва широко в индустрията.
Метод-Seeded Solution Growth (TSSG) Метод
При метода за-отглеждане на разтвор от най-високо ниво (TSSG) източникът на силиций е силициева стопилка, а източникът на въглерод е графитен тигел с висока-чистота. Под 2000 градуса разтворимостта на въглерода в силициева стопилка е по-малка от 1%, което затруднява достигането на моларното съотношение Si:C=1:1, необходимо за растежа на кристалите SiC. Дори при 2800 градуса, разтворимостта на въглерода в силиций е само 19%. Следователно, в реални експерименти за растеж на кристали SiC в течна{11}}фаза е необходимо да се добавят някои потоци, за да се увеличи разтворимостта на въглерода в разтвор с висока-температура. Обичайните потоци включват Cr, Fe, Ti и т.н. По време на растежа на кристалите въглеродът в графитния тигел постепенно се разтваря в стопилката и се транспортира през стопилката до зародишния кристал, което позволява непрекъснато снабдяване с въглерод. Чрез контролиране на параметри като скорост на въртене на зародиш/тигел, температурно поле и честота и големина на тока, в стопилката се формират подходящи температурни градиенти, градиенти на налягане и полета на потока, така че въглеродът да може да се транспортира от стената на тигела до зародишния кристал. Въпреки това, при действителен растеж, зародишният кристал често се разтваря и поликристалният материал се утаява по стената на тигела и по зародишния кристал. Следователно, по време на процеса на растеж на кристали, параметрите на растеж трябва да се регулират, за да се поддържа цялата система в подходящо динамично равновесие, така че да може да се постигне непрекъснат растеж на кристали.
TSSG може да подготви SiC кристали при по-меки условия на растеж. Той също така има технически характеристики като динамично и прецизно регулиране на параметрите на процеса, непрекъснато разширяване на диаметъра и равномерно допиране от тип p-. Тя се превърна в една от силно конкурентните иновативни технологии за ниски-разходи, високо-качествени SiC субстрати. Въпреки че TSSG има значителни предимства при получаването на SiC кристали, той също има високи технически бариери, отразени главно в многобройните параметри на процеса, които трябва да бъдат регулирани; всеки неподходящ избор на параметър може да наруши динамичното равновесие по време на растежа на кристала и да причини сериозни макроскопични дефекти.