Som tredje-generations halvledare har kiselkarbid (SiC) elektriska och termiska egenskaper överlägsna kisel, vilket gör den till ett av de idealiska materialen för att tillverka enheter med hög-temperatur, hög-frekvens, hög-effekt och hög-spänning. SiC är en förening som består av kisel och kol. Kiselatomer och kolatomer bildar en tetraedrisk struktur. SiC-kristaller har mer än 200 kända polytyper, som bildas genom att alternerande kiselatomlager och kolatomlager på olika sätt. De vanligaste är 3C-SiC (kubisk struktur eller -SiC), 4H-SiC och 6H-SiC (båda hexagonala strukturer eller -SiC).
3C-SiC
3C-SiC är den enklaste SiC-polytypen och har en kubisk tät-struktur. I denna struktur är kisel- och kolatomer ordnade på ett specifikt sätt i tre-dimensionellt utrymme, vilket bildar en mycket symmetrisk kristallstruktur. På grund av sin symmetri har 3C-SiC relativt dåliga elektroniska och optiska egenskaper och används för närvarande relativt lite i praktiska tillämpningar.
4H-SiC och 6H-SiC
Till skillnad från 3C-SiC har 4H-SiC och 6H-SiC hexagonala täta-strukturer. Dessa två polytyper är överlägsna 3C-SiC i elektronrörlighet, värmeledningsförmåga och bandgap. 4H-SiC har högre elektronrörlighet, vilket gör den mer idealisk för hög-elektroniska enheter med{13}}hög effekt. Det används mest inom områden som nya energifordon och 5G-kommunikation, och nuvarande SiC-tillverkare producerar huvudsakligen 4H-SiC. 6H-SiC har ett större bandgap och presterar därför bättre i miljöer med hög-temperatur och hög-strålning.
Tillväxtteknologier för SiC-enkristaller
För närvarande är de huvudsakliga teknikerna som används för kristalltillväxt av SiC: fysikalisk ångtransport (PVT), hög-temperatur kemisk ångavsättning (HTCVD) och tillväxt av topp-lösningar (TSSG). Bland dem är PVT för närvarande den mest mogna och mest använda SiC-enkelkristalltillväxtmetoden- i Kina och utomlands.
Metod för fysisk ångtransport (PVT).
Fysisk ångtransport (PVT) är en allmänt använd metod för kommersiell tillväxt av SiC-enkristaller. Den utvecklades från Lely-metoden, som utvecklades av Lely 1955 genom en sublimeringsprocess. Lely-metoden kan dock inte effektivt kontrollera tillväxten av en-kristall. 1977 var Tairov och Tsvetkov de första som använde seeded sublimation för att odla SiC-enkristaller; denna metod kallas även den "modifierade Lely-metoden" eller PVT-metoden.
I PVT placeras en frökristall på toppen av en grafitdegel och SiC-pulver med hög -renhet placeras längst ner. Utanför degeln finns ett värmeisoleringsskikt; en induktionsvärmeslinga är utanför isoleringsskiktet, och kylvatten finns inuti batteriet. Inuti degeln, genom att kontrollera temperatur och temperaturgradient, omvandlas SiC-pulvret till ett gasformigt tillstånd och transporteras till frökristallen, där kristalltillväxt sedan sker. Råmaterialet för PVT är hög-rent SiC-pulver och tillväxttemperaturen är 2100 grader –2500 grader. För närvarande använder vissa inhemska SiC-tillverkare denna metod som sin vanliga produktionsmetod. Dess nackdelar är hög tillväxttemperatur, hög energiförbrukning och höga kostnader; de odlade kristallerna har många defekter som påverkar enhetens prestanda och livslängd.
Även om PVT SiC-tillväxtteknologi redan är mycket mogen, kvarstår följande problem i den faktiska produktionen: I PVT-tillväxten av SiC-enkristaller uppstår lätt polytypövergångar, vilket leder till polykristallina inneslutningar. Att kontrollera en enda polytyp under SiC-kristalltillväxt är en komplex fråga. Om man tar vanliga 4H-SiC-enkristaller som ett exempel, påverkas stabil tillväxt av en enskild polytyp av många faktorer, inklusive frökristallpolaritet, tillväxttemperatur, tillväxttryck, ång--fas Si/C-förhållande och dopningstyp, vilket innebär att exakt reglering av SiC-polytypen blir svårare. Exakt temperaturkontroll i ugnen under PVT-tillväxt av SiC-enkristaller förblir också en stor utmaning. Dessutom förlitar sig PVT på gastransport och reaktionsprocesser vid höga temperaturer, vilket ställer höga krav på gasflöde, reaktionskinetik och så vidare.
Hög-Högtemperatur-kemisk ångdepositionsmetod (HTCVD).
I hög-temperatur kemisk ångdeposition (HTCVD)-metoden placeras en SiC-frökristall i en degel gjord av grafit. Silan och en kol-innehållande prekursorgas som råmaterial kommer kontinuerligt in i degeln genom en bottenreaktor. Silanen pyrolyseras sedan direkt till Si-kluster, som reagerar med kolväten (CxHy) i kol-innehållande prekursorgas för att bilda en SiC-enkristall under groddkristallen.
Jämfört med PVT använder HTCVD råvaror med högre-renhet och kan noggrant kontrollera råvarumatningshastigheten, C/Si-förhållandet och tillväxttemperaturen under tillväxten, vilket ger SiC-kristaller av högre-kvalitet. Dessutom ger direkt pyrolys av bärgasen HTCVD högre energieffektivitet än andra metoder, och den höghastighetsbärargasen hjälper de kluster som erhålls genom pyrolys att nå SiC-frökristallen, så HTCVD odlar SiC-kristaller snabbare än andra metoder.
HTCVD har fördelar som hög kristallkvalitet, snabb tillväxthastighet och kontinuerlig matning. Men eftersom tillväxtutrustningen och hög-gaser är dyra har denna metod höga produktionskostnader och kommersialiseringsprocessen är långsam. Samtidigt, i HTCVD, tillväxt av SiC-enkristaller, eftersom SiH4 och C3H8 måste sönderdelas vid hög temperatur och genomgå olika reaktioner innan de slutligen växer kristaller på SiC-fröet, om källgasen sönderdelas för snabbt, kommer gasinloppet att blockeras; om källgasen sönderdelas för långsamt kommer oreagerad gas att stanna kvar vid gasutloppet och orsaka blockering. Detta gör HTCVD SiC-tillväxtutrustning för enkristall- relativt instabil. Dessutom är aktuell forskning om HTCVD otillräcklig, processen är ännu inte mogen och den är fortfarande i FoU-stadiet, så HTCVD-tillväxten av SiC-enkristaller används inte i stor utsträckning inom industrin.
Topp-Seeded Solution Growth-metoden (TSSG).
I TSSG-metoden (top-seeded solution growth) är kiselkällan en kiselsmälta och kolkällan en grafitdegel med hög -renhet. Under 2000 grader är lösligheten av kol i kiselsmältan mindre än 1 %, vilket gör det svårt att nå Si:C=1:1 molförhållandet som krävs för SiC-kristalltillväxt. Även vid 2800 grader är lösligheten av kol i kisel endast 19%. I verkliga experiment med SiC-kristalltillväxt i flytande-fas måste därför vissa flussmedel tillsättas för att öka lösligheten av kol i lösningen med hög-temperatur. Vanliga flussmedel inkluderar Cr, Fe, Ti, etc. Under kristalltillväxt löses kol i grafitdegeln gradvis i smältan och transporteras genom smältan till frökristallen, vilket möjliggör en kontinuerlig tillförsel av kol. Genom att kontrollera parametrar som rotationshastighet för frö/degel, temperaturfält och strömfrekvens och storlek, bildas lämpliga temperaturgradienter, tryckgradienter och flödesfält i smältan, så att kol kan transporteras från degelväggen till frökristallen. Vid faktisk tillväxt löses emellertid frökristallen ofta upp, och polykristallint material fälls ut vid degelväggen och vid frökristallen. Under hela kristalltillväxtprocessen måste därför tillväxtparametrar justeras för att hålla hela systemet i en lämplig dynamisk jämvikt, så att kontinuerlig kristalltillväxt kan uppnås.
TSSG kan framställa SiC-kristaller under mildare tillväxtförhållanden. Den har också tekniska funktioner som dynamisk och exakt reglering av processparametrar, kontinuerlig diameterexpansionstillväxt och enhetlig dopning av hög p-typ. Det har blivit en av de mycket konkurrenskraftiga innovativa teknologierna för låg-kostnad, hög-kvalitet SiC-substrat. Även om TSSG har betydande fördelar vid framställning av SiC-kristaller, har det också höga tekniska barriärer, främst återspeglas i de många processparametrar som behöver regleras; alla olämpliga parameterval kan störa den dynamiska jämvikten under kristalltillväxt och orsaka allvarliga makroskopiska defekter.