Harmadik -generációs félvezetőként a szilícium-karbid (SiC) a szilíciuménál jobb elektromos és termikus tulajdonságokkal rendelkezik, így az egyik ideális anyag a magas-hőmérsékletű, nagy-frekvenciás, nagy-teljesítményű és{4}}feszültségű eszközök gyártásához. A SiC szilíciumból és szénből álló vegyület. A szilícium- és szénatomok tetraéderes szerkezetet alkotnak. A SiC kristályoknak több mint 200 ismert politípusa van, amelyek a szilícium atomrétegek és a szénatomos rétegek váltakozásával, különböző módon jönnek létre. A leggyakoribb a 3C-SiC (köbös szerkezetű, vagy -SiC), 4H-SiC és 6H-SiC (mindkettő hatszögletű szerkezet, vagy -SiC).
3C-SiC
A 3C-SiC a legegyszerűbb SiC politípus, és köbös, zárt-csomagolt szerkezettel rendelkezik. Ebben a szerkezetben a szilícium és a szénatomok meghatározott módon helyezkednek el egy háromdimenziós térben, és egy erősen szimmetrikus kristályszerkezetet alkotnak. Szimmetriája miatt a 3C-SiC viszonylag gyenge elektronikus és optikai tulajdonságokkal rendelkezik, és jelenleg viszonylag keveset használják gyakorlati alkalmazásokban.
4H-SiC és 6H-SiC
A 3C-SiC-vel ellentétben a 4H-SiC és a 6H-SiC hatszögletű szorosan-csomagolt szerkezetű. Ez a két politípus az elektronmobilitás, a hővezetőképesség és a sávszélesség tekintetében felülmúlja a 3C-SiC-t, és a sávszélességű. 4H-SiC nagyobb elektronmobilitást mutat, így ideálisabb a nagy{12}}frekvenciás és nagy{13}}teljesítményű elektronikus eszközökhöz. A legszélesebb körben használják olyan területeken, mint az új energiahordozók és az 5G-s kommunikáció, és a jelenlegi SiC-gyártók főként 4H-SiC. 6H-SiC-t gyártanak, amelynek nagyobb a sávszélessége, és ezért jobban teljesít magas-hőmérsékletű és nagy{21}}sugárzású környezetben.
Növekedési technológiák SiC egykristályokhoz
Jelenleg a szilícium-karbid-kristályok növesztésére használt fő technológiák közé tartozik a fizikai gőztranszport (PVT), a magas-hőmérsékletű kémiai gőzlerakódás (HTCVD) és a felső-magas oldatban történő növekedés (TSSG). Közülük a PVT jelenleg a legérettebb és legszélesebb körben használt szilícium-karbid egy-kristály növekedési módszer Kínában és külföldön.
Fizikai gőzszállítási (PVT) módszer
A fizikai gőztranszport (PVT) egy széles körben alkalmazott módszer a SiC egykristályok kereskedelmi termesztésére. A Lely módszerrel fejlesztették ki, amelyet a Lely fejlesztett ki 1955-ben szublimációs eljárással. A Lely-módszer azonban nem képes hatékonyan szabályozni az egy-kristály növekedését. 1977-ben Tairov és Cvetkov alkalmaztak először oltott szublimációt SiC egykristályok termesztésére; ezt a módszert "módosított Lely-módszernek" vagy PVT-módszernek is nevezik.
A PVT-ben egy magkristályt helyeznek el egy grafittégely tetején, és nagy-tisztaságú SiC-port az aljára. A tégelyen kívül egy hőszigetelő réteg található; egy indukciós fűtőspirál van a szigetelőrétegen kívül, a hűtővíz pedig a tekercsen belül. Az olvasztótégely belsejében a hőmérséklet és a hőmérséklet-gradiens szabályozásával a SiC port gáz halmazállapotúvá alakítják, és az oltókristályba szállítják, ahol kristálynövekedés következik be. A PVT nyersanyaga nagy-tisztaságú SiC por, a növekedési hőmérséklet pedig 2100-2500 fok. Jelenleg néhány hazai SiC gyártó ezt a módszert használja fő gyártási módszerként. Hátránya a magas növekedési hőmérséklet, a nagy energiafogyasztás és a magas költség; a kinőtt kristályoknak számos hibája van, amelyek befolyásolják a készülék teljesítményét és élettartamát.
Bár a PVT SiC növesztési technológia már nagyon kiforrott, a következő problémák továbbra is fennállnak a tényleges gyártás során: A SiC egykristályok PVT növekedése során könnyen előfordulnak politípusos átmenetek, amelyek polikristályos zárványokhoz vezetnek. Egyetlen politípus szabályozása a SiC kristálynövekedés során összetett kérdés. A főáramú 4H-SiC egykristályokat példának véve, egyetlen politípus stabil növekedését számos tényező befolyásolja, beleértve az oltókristály polaritását, a növekedési hőmérsékletet, a növekedési nyomást, a gőz-fázisú Si/C arányt és az adalékolás típusát, ami azt jelenti, hogy a SiC politípus pontos szabályozása nehezebbé válik. A kemencében a pontos hőmérséklet-szabályozás a SiC egykristályok PVT-növekedése során szintén óriási kihívást jelent. Ezenkívül a PVT magas hőmérsékleten zajló gázszállításra és reakciófolyamatokra támaszkodik, ami nagy követelményeket támaszt a gázáramlással, a reakciókinetikájával stb.
Magas-hőmérsékletű kémiai gőzfázisú leválasztás (HTCVD) módszer
A magas-hőmérsékletű kémiai gőzfázisú leválasztásos (HTCVD) módszerben SiC oltókristályt helyeznek egy grafittégelybe. Nyersanyagként szilán és szén{2}}tartalmú prekurzor gáz folyamatosan kerül a tégelybe egy fenékreaktoron keresztül. A szilán ezután közvetlenül szilícium-klaszterekké pirolizálódik, amelyek reakcióba lépnek a szén---tartalmú prekurzor gázban lévő szénhidrogénekkel (CxHy), és SiC egykristályt képeznek az oltókristály alatt.
A PVT-vel összehasonlítva a HTCVD nagyobb-tisztaságú nyersanyagokat használ, és pontosan tudja szabályozni a nyersanyag betáplálási sebességét, a C/Si arányt és a növekedési hőmérsékletet a növekedés során, így jobb{1}}minőségű SiC kristályokat állít elő. Ezenkívül a vivőgáz közvetlen pirolízise a HTCVD-nek nagyobb energiahatékonyságot biztosít, mint más módszerek, a nagy sebességű vivőgáz pedig segít a pirolízissel nyert klasztereknek eljutni a SiC magkristályhoz, így a HTCVD gyorsabban növeszti a SiC kristályokat, mint más módszerek.
A HTCVD-nek olyan előnyei vannak, mint a kiváló kristályminőség, a gyors növekedési sebesség és a folyamatos táplálás. Mivel azonban a növesztőberendezés és a nagy-tisztaságú gázok drágák, ennek a módszernek magas az előállítási költsége, és lassú az értékesítési folyamata. Ugyanakkor a SiC egykristályok HTCVD növekedésénél, mivel a SiH4-nek és a C3H8-nak magas hőmérsékleten le kell bomlani, és különféle reakciókon kell keresztülmennie, mielőtt végül kristályok nőnének a SiC magon, ha a forrásgáz túl gyorsan bomlik le, a gázbemenet eltömődik; ha a forrásgáz túl lassan bomlik le, a reagálatlan gáz a gázkimenetben marad, és eltömődést okoz. Ez viszonylag instabillá teszi a HTCVD SiC egykristály{7}növesztő berendezést. Ezenkívül a HTCVD-vel kapcsolatos jelenlegi kutatások nem elegendőek, a folyamat még nem kiforrott, és még mindig a K+F szakaszban van, így a SiC egykristályok HTCVD-növekedését nem használják széles körben az iparban.
Legjobb-magvas megoldás növekedési (TSSG) módszer
A felső-oltóoldat-tenyésztési (TSSG) módszerben a szilíciumforrás egy szilíciumolvadék, a szénforrás pedig egy nagy-tisztaságú grafittégely. 2000 fok alatt a szén oldhatósága a szilícium olvadékban kevesebb, mint 1%, ami megnehezíti a SiC kristálynövekedéshez szükséges Si:C=1:1 mólarány elérését. Még 2800 fokon is csak 19%-os a szén oldhatósága szilíciumban. Ezért a tényleges folyékony fázisú SiC kristálynövekedési kísérletekben bizonyos fluxusokat kell hozzáadni a szén oldhatóságának növelése érdekében a magas hőmérsékletű oldatban. A gyakori fluxusok közé tartozik a Cr, Fe, Ti stb. A kristálynövekedés során a grafittégelyben lévő szén fokozatosan feloldódik az olvadékban, és az olvadékon keresztül a magkristályhoz szállítódik, lehetővé téve a folyamatos szénellátást. Az olyan paraméterek szabályozásával, mint a mag/tégely forgási sebessége, a hőmérsékleti mező, valamint az áram frekvenciája és nagysága, megfelelő hőmérsékleti gradiensek, nyomásgradiensek és áramlási mezők jönnek létre az olvadékban, így a szén a tégely faláról a magkristályra szállítható. A tényleges növekedés során azonban a magkristály gyakran feloldódik, és a polikristályos anyag kicsapódik a tégely falánál és a magkristálynál. Ezért a kristálynövekedési folyamat során a növekedési paramétereket úgy kell beállítani, hogy az egész rendszer megfelelő dinamikus egyensúlyban legyen, hogy a kristálynövekedés folyamatos legyen.
A TSSG SiC kristályokat tud előállítani enyhébb növekedési körülmények között. Olyan műszaki jellemzőkkel is rendelkezik, mint a folyamatparaméterek dinamikus és precíz szabályozása, a folyamatos átmérő-növekedés és az egységes, magas p{1}} típusú adalékolás. Az egyik rendkívül versenyképes innovatív technológiává vált az alacsony-költségű, jó-minőségű SiC hordozók számára. Bár a TSSG jelentős előnyökkel rendelkezik a SiC kristályok előállítása során, magas műszaki korlátai is vannak, ami elsősorban a számos szabályozásra szoruló folyamatparaméterben tükröződik; bármely nem megfelelő paraméterválasztás megzavarhatja a dinamikus egyensúlyt a kristálynövekedés során, és súlyos makroszkopikus hibákat okozhat.