Kā trešās -paaudzes pusvadītāja, silīcija karbīda (SiC) elektriskās un termiskās īpašības ir labākas par silīcija īpašībām, padarot to par vienu no ideāliem materiāliem augstas-temperatūras, augstfrekvences, augstas{3}}jaudas un augstsprieguma{4}}ierīču izgatavošanai. SiC ir savienojums, kas sastāv no silīcija un oglekļa. Silīcija atomi un oglekļa atomi veido tetraedrisku struktūru. SiC kristāliem ir zināmi vairāk nekā 200 politipi, kas veidojas, dažādos veidos mainot silīcija atomu slāņus un oglekļa atomu slāņus. Visizplatītākie ir 3C-SiC (kubiskā struktūra jeb -SiC), 4H-SiC un 6H-SiC (abas sešstūra struktūras jeb -SiC).
3C-SiC
3C-SiC ir vienkāršākais SiC politips, un tam ir kubiska cieša-iepakota struktūra. Šajā struktūrā silīcija un oglekļa atomi ir īpašā veidā izkārtoti trīsdimensiju telpā, veidojot ļoti simetrisku kristāla struktūru. Savas simetrijas dēļ 3C-SiC ir salīdzinoši sliktas elektroniskās un optiskās īpašības, un praktiski to pašlaik izmanto salīdzinoši maz.
4H-SiC un 6H-SiC
Atšķirībā no 3C-SiC, 4H-SiC un 6H-SiC ir sešstūrainas ciešas-iepakotas struktūras. Šie divi politipi ir pārāki par 3C-SiC elektronu mobilitātes, siltumvadītspējas un joslas diapazona ziņā. 4H-SiC ir lielāka elektronu mobilitāte, tāpēc tas ir ideālāks augstas{12}}frekvences un lielas{13}}jaudas elektroniskām ierīcēm. To visplašāk izmanto tādās jomās kā jauni enerģijas transportlīdzekļi un 5G sakari, un pašreizējie SiC ražotāji galvenokārt ražo 4H-SiC. 6H-SiC, kam ir lielāka joslas atstarpe, un tāpēc tas darbojas labāk augstās{20}}temperatūras un lielas{21}radiācijas vidēs.
SiC monokristālu augšanas tehnoloģijas
Pašlaik SiC kristālu audzēšanai tiek izmantotas galvenās tehnoloģijas, kas ietver fizisko tvaiku transportēšanu (PVT), ķīmisko tvaiku pārklāšanu augstā temperatūrā (HTCVD) un šķīduma augšanu ar sēklām (TSSG). Tostarp PVT pašlaik ir visnobriedušākā un visplašāk izmantotā SiC viena-kristāla augšanas metode Ķīnā un ārvalstīs.
Fiziskā tvaiku transportēšanas (PVT) metode
Fiziskā tvaika transportēšana (PVT) ir plaši izmantota metode SiC monokristālu komerciālai audzēšanai. Tas tika izstrādāts, izmantojot Lely metodi, ko Lely izstrādāja 1955. gadā, izmantojot sublimācijas procesu. Tomēr Lely metode nevar efektīvi kontrolēt viena kristāla augšanu. 1977. gadā Tairovs un Cvetkovs bija pirmie, kas izmantoja sēklu sublimāciju SiC monokristālu audzēšanai; šo metodi sauc arī par "modificēto Lely metodi" vai PVT metodi.
PVT grafīta tīģeļa augšpusē ir ievietots sēklu kristāls, bet apakšā ir augstas -tīrības pakāpes SiC pulveris. Ārpus tīģeļa ir siltumizolācijas slānis; indukcijas sildīšanas spole atrodas ārpus izolācijas slāņa, un dzesēšanas ūdens atrodas spoles iekšpusē. Tīģeļa iekšpusē, kontrolējot temperatūru un temperatūras gradientu, SiC pulveris tiek pārvērsts gāzveida stāvoklī un tiek transportēts uz sēklu kristālu, kur pēc tam notiek kristālu augšana. PVT izejviela ir augstas-tīrības pakāpes SiC pulveris, un augšanas temperatūra ir 2100–2500 grādi. Pašlaik daži vietējie SiC ražotāji izmanto šo metodi kā galveno ražošanas metodi. Tā trūkumi ir augsta augšanas temperatūra, liels enerģijas patēriņš un augstās izmaksas; izaugušajiem kristāliem ir daudz defektu, kas ietekmē ierīces darbību un kalpošanas laiku.
Lai gan PVT SiC augšanas tehnoloģija jau ir ļoti nobriedusi, faktiskajā ražošanā joprojām pastāv šādas problēmas: SiC monokristālu PVT augšanas procesā viegli notiek politipa pārejas, kas noved pie polikristāliskiem ieslēgumiem. Viena politipa kontrole SiC kristālu augšanas laikā ir sarežģīts jautājums. Ņemot par piemēru galvenos 4H-SiC monokristālus, viena politipa stabilu augšanu ietekmē daudzi faktori, tostarp sēklu kristālu polaritāte, augšanas temperatūra, augšanas spiediens, tvaika -fāzes Si/C attiecība un dopinga veids, kas nozīmē, ka SiC politipa precīza regulēšana kļūst grūtāka. Precīza temperatūras kontrole krāsnī SiC monokristālu PVT augšanas laikā arī joprojām ir milzīgs izaicinājums. Turklāt PVT balstās uz gāzes transportēšanu un reakcijas procesiem augstās temperatūrās, kas izvirza augstas prasības gāzes plūsmai, reakcijas kinētikai utt.
Augstas-temperatūras ķīmiskās tvaiku pārklāšanas (HTCVD) metode
Augstas -temperatūras ķīmiskās tvaiku pārklāšanas (HTCVD) metodē SiC sēklu kristālu ievieto tīģelī, kas izgatavots no grafīta. Silāns un oglekli -saturoša prekursorgāze kā izejmateriāli nepārtraukti nonāk tīģelī caur apakšējo reaktoru. Pēc tam silāns tieši pirolizējas Si klasteros, kas reaģē ar ogļūdeņražiem (CxHy) oglekli - saturošajā prekursorgāzē, veidojot SiC monokristālu zem sēklu kristāla.
Salīdzinot ar PVT, HTCVD izmanto augstākas-tīrības izejvielas un var precīzi kontrolēt izejvielu padeves ātrumu, C/Si attiecību un augšanas temperatūru augšanas laikā, tādējādi ražojot augstākas-kvalitatīvas SiC kristālus. Turklāt nesējgāzes tiešā pirolīze nodrošina HTCVD augstāku energoefektivitāti nekā citas metodes, un ātrgaitas nesējgāze palīdz pirolīzes rezultātā iegūtajām kopām sasniegt SiC sēklu kristālu, tāpēc HTCVD SiC kristālus audzē ātrāk nekā citas metodes.
HTCVD ir tādas priekšrocības kā augsta kristāla kvalitāte, ātrs augšanas ātrums un nepārtraukta barošana. Tomēr, tā kā augšanas iekārtas un augstas-tīrības gāzes ir dārgas, šai metodei ir augstas ražošanas izmaksas un tās komercializācijas process ir lēns. Tajā pašā laikā SiC monokristālu augšanā HTCVD, jo SiH4 un C3H8 ir jāsadalās augstā temperatūrā un jāveic dažādas reakcijas, pirms beidzot izaug kristāli uz SiC sēklas, ja avota gāze sadalās pārāk ātri, gāzes ieplūde tiks bloķēta; ja avota gāze sadalās pārāk lēni, neizreaģējusi gāze paliks pie gāzes izplūdes atveres un izraisīs aizsprostojumu. Tas padara HTCVD SiC viena{7}kristāla augšanas aprīkojumu salīdzinoši nestabilu. Turklāt pašreizējie pētījumi par HTCVD ir nepietiekami, process vēl nav nobriedis, un tas joprojām ir pētniecības un attīstības stadijā, tāpēc SiC monokristālu HTCVD augšana rūpniecībā netiek plaši izmantota.
Populārākā-Sēklu risinājuma pieauguma (TSSG) metode
Augšējā-sēklu šķīduma audzēšanas (TSSG) metodē silīcija avots ir silīcija kausējums, bet oglekļa avots ir augstas-tīrības pakāpes grafīta tīģelis. Zem 2000 grādiem oglekļa šķīdība silīcija kausējumā ir mazāka par 1%, tādēļ ir grūti sasniegt Si:C=1:1 molāro attiecību, kas nepieciešama SiC kristālu augšanai. Pat pie 2800 grādiem oglekļa šķīdība silīcijā ir tikai 19%. Tāpēc faktiskajos šķidrās fāzes SiC kristālu augšanas eksperimentos ir jāpievieno dažas plūsmas, lai palielinātu oglekļa šķīdību augstas temperatūras šķīdumā. Parastās plūsmas ietver Cr, Fe, Ti uc Kristālu augšanas laikā ogleklis grafīta tīģelī pakāpeniski izšķīst kausējumā un caur kausējumu tiek transportēts uz sēklu kristālu, nodrošinot nepārtrauktu oglekļa piegādi. Kontrolējot tādus parametrus kā sēklas/tīģeļa griešanās ātrums, temperatūras lauks un strāvas frekvence un lielums, kausē tiek veidoti atbilstoši temperatūras gradienti, spiediena gradienti un plūsmas lauki, lai oglekli varētu transportēt no tīģeļa sienas uz sēklas kristālu. Tomēr faktiskajā augšanā sēklu kristāls bieži izšķīst, un polikristālisks materiāls izgulsnējas pie tīģeļa sienas un sēklu kristāla. Tāpēc visā kristāla augšanas procesā augšanas parametri ir jāpielāgo, lai saglabātu visu sistēmu piemērotā dinamiskā līdzsvarā, lai varētu panākt nepārtrauktu kristālu augšanu.
TSSG var sagatavot SiC kristālus maigākos augšanas apstākļos. Tam ir arī tehniskas funkcijas, piemēram, dinamiska un precīza procesa parametru regulēšana, nepārtraukta diametra paplašināšanās un vienmērīga augsta p{1}} tipa dopinga lietošana. Tā ir kļuvusi par vienu no ļoti konkurētspējīgām novatoriskām tehnoloģijām zemu-augstas-kvalitatīvas SiC substrātiem. Lai gan TSSG ir būtiskas priekšrocības SiC kristālu sagatavošanā, tai ir arī augstas tehniskās barjeras, kas galvenokārt atspoguļojas daudzos procesa parametros, kas jāregulē; jebkura neatbilstoša parametra izvēle var izjaukt dinamisko līdzsvaru kristāla augšanas laikā un izraisīt nopietnus makroskopiskus defektus.