1. Introduktion till kiselkarbid
Halvledarmaterial har blivit en samlingspunkt för global hög-konkurrens och stor-kraftskonkurrens. Bland dem har halvledarmaterial med breda-bandgap, representerade av kiselkarbid (SiC), använts i stor-tillämpningar inom nyckelområden som nästa-generations mobilkommunikation, smarta nät, höghastighetstågtransporter, nya energifordon och konsumentelektronik. Kiselkarbid har ett brett bandgap, högt elektriskt fält, hög värmeledningsförmåga, hög elektronmättnadshastighet och starkt strålningsmotstånd. Den kan bryta igenom prestandagränserna för kisel-baserade halvledarenheter och betraktas som "CPU" för kraftelektronik och mikrovågsradiofrekvensenheter{10}, såväl som "kärnchippet" i den gröna ekonomin [1].
Kristallstruktur av kiselkarbid
Kiselkarbid är en IV-IV-förening med unika fysikaliska och kemiska egenskaper. Si- och C-atomer bildar kovalenta bindningar genom att dela elektronpar i sp³-hybridorbitaler, vilket resulterar i en tetraedrisk bindningsstruktur för att bilda SiC-kristaller. Kiselkarbid har mer än 200 polytyper, som är konstruerade genom att stapla Si-C-dubbelskikt i olika sekvenser. Kända polytyper inkluderar 2H-SiC, 3C-SiC, 4H-SiC, 6H-SiC, 15R-SiC, etc. Polytypbeteckningen baseras på antalet Si-C-kombinerade dubbelskikt för c,C-cellsystem per enhet för c,C-system hexagonal, R för romboedrisk). Olika SiC-polytyper har olika elektroniska, optiska och mekaniska egenskaper, vilket ger distinkta fördelar i olika applikationer [2-4].
3C-SiC: 3C-SiC är den enklaste polytypen, med en kubisk tät-struktur. Si- och C-atomer är arrangerade i ett specifikt tre-dimensionellt mönster och bildar en mycket symmetrisk kristall. På grund av sin symmetri har 3C-SiC relativt dåliga elektroniska och optiska egenskaper, så det har begränsad praktisk tillämpning.
4H-SiC och 6H-SiC: Till skillnad från 3C-SiC har 4H-SiC och 6H-SiC hexagonala täta-strukturer. Båda polytyperna är överlägsna 3C-SiC vad gäller elektronrörlighet, värmeledningsförmåga och bandgap. 4H-SiC har högre elektronrörlighet, vilket gör den mer idealisk för hög-och hög{13}}elektronisk utrustning och används ofta i nya energifordon, etc. 6H-SiC har ett större bandgap, vilket gör att den presterar bättre i miljöer med hög-temperatur och hög-strålning [4].
Översikt över inhemsk och internationell utveckling av kiselkarbid
På 1990-talet hade utländska företag som Cree och Westinghouse redan tagit ledningen för att utveckla och producera 2–4 tums SiC-substrat. När de gick in i 2000-talet, med kontinuerlig teknisk iteration, blev 6-tum SiC-wafers gradvis huvudströmmen på marknaden. Driven av den explosiva tillväxten av elfordon och nya energiindustrier har den globala efterfrågan på SiC-material fortsatt att öka. Inhemska och utländska företag och forskningsinstitutioner har ökat FoU-investeringar i stora-siC-wafers av{11}}kvalitet. För närvarande har internationella tillverkare som Wolfspeed, II-VI och Rohm uppnått massproduktion av 8-tums SiC-substrat. Under impulsen av Kinas "14:e femårsplan" har även inhemsk 8-tums SiC-substratproduktion gått in i industrialiseringsstadiet, med företag som TankeBlue, SICC och Jingsheng Mechanical & Electrical som successivt tillkännager satsvis leverans av 8-tums SiC-substrat [5].
För närvarande är 6-tum SiC fortfarande den globala kommersiella huvudfåran, medan 8-tumsprodukter accelererar mot industrialisering. De koncentrerade genombrotten inom 12-tums SiC-området markerar en kritisk vändpunkt för tredje generationens halvledarindustri. Inhemska företag, inklusive SICC, Jingsheng Mechanical & Electrical, Jingyue Semiconductor, Tiancheng Semiconductor, Keyou Semiconductor, Hoshine Silicon, Nansha Jingyuan, GlobalWafers, Shuoke Crystal, samt USA-baserade Wolfspeed, har alla gjort stora framsteg i utvecklingen av 12-tums SiC-substrat och enkla substrat.
2. Metoder för framställning av enkelkristaller av kiselkarbid
För närvarande är de tre huvudsakliga metoderna som kan producera SiC-enkristaller av hög-kvalitet metoden Physical Vapor Transport (PVT), High-Temperature Chemical Vapor Deposition-metoden (HTCVD) och Top-Seeded Solution Growth-metoden (TSSG).
Metod för fysisk ångtransport (PVT).
1955 använde Lely först sublimeringsmetoden för att odla SiC-enkristaller. Emellertid hade denna metod många inneboende nackdelar: extremt höga tillväxttemperaturer, svårighet att exakt kontrollera kärnbildning, låg tillväxteffektivitet, bred spridning av elektriska parametrar i de resulterande kristallerna och i allmänhet små kristallstorlekar. Som ett resultat var kvaliteten på SiC-kristaller som producerades med Lely-metoden dålig, medan kostnaderna förblev höga. Denna tekniska utmaning övervanns inte förrän 1978, när Tairov och kollegor introducerade en frökristall i tillväxtprocessen baserad på den traditionella Lely-metoden, vilket möjliggjorde effektiv kontroll över kärnbildning och sänkte tillväxttemperaturen. Denna metod blev känd som den modifierade Lely-metoden, dvs den fysiska ångtransportmetoden [6-9].
PVT-metoden har mogen teknik och stark styrbarhet, och den är för närvarande den primära metoden för att producera hög-kvalitet, stor-storlek SiC. I denna metod placeras SiC-pulver i botten av en grafitdegel, och en SiC-frökristall placeras på toppen. Grafitdegeln upphettas till sublimeringstemperaturen för SiC, vilket gör att pulvret sönderdelas till gasformiga ämnen såsom Si-ånga, Si2C och SiC2. Drivna av en axiell temperaturgradient sublimerar dessa arter till toppen av degeln och kondenserar på SiC-fröytan och kristalliserar till SiC-enkristaller [6]. Denna metod kan massproducera-stor-siC med hög-renhet och är lämplig för storskalig industriproduktion, men dess nackdelar inkluderar långsam tillväxt och behovet av betydande utrustning, vilket leder till höga produktionskostnader.
För PVT-tillväxtprocessen påverkar många faktorer SiC-kristalltillväxt, inklusive temperatur, temperaturgradient, degeltryck, avståndet mellan fröet och det polykristallina pulvret och pulvrets renhet.
1.1 SiC-pulversyntes
SiC-pulver, som råmaterial för att syntetisera och odla enkristaller, påverkar direkt kvaliteten och de elektrokemiska egenskaperna hos de odlade kristallerna. Att minska sammansättningens segregation under tillväxt, sänka föroreningshalten och förbättra transportprestanda är viktiga mål vid pulverberedning och förbehandling [8].
SiC-pulvret som används för att odla enkristaller måste uppfylla mycket höga renhetskrav, med en föroreningshalt idealiskt under 0,001 %. Det finns många metoder för att framställa SiC-pulver, som kan klassificeras efter råvarornas initiala tillstånd i fast-fas, flytande-fas och gas-fasmetoder. Fast-fasmetoder inkluderar huvudsakligen karbotermisk reduktion, mekanisk krossning och själv-förökande hög-temperatursyntes; vätskefasmetoder inkluderar sol-gel och polymernedbrytning; gasfasmetoder inkluderar kemisk ångavsättning och plasmametoder. Bland dessa kan gas-fasmetoder erhålla hög-rent SiC-pulver genom att kontrollera föroreningsnivåerna i gaskällorna; bland flytande-fasmetoder kan endast sol-gelmetoden producera pulver som uppfyller renhetskraven för tillväxt av en-kristall; bland fastfasmetoder är den förbättrade själv-förökande hög-temperatursyntesmetoden för närvarande den mest använda och mogna processen för framställning av SiC-pulver [2,8].
1.2 Degel
Degelns inre struktur påverkar direkt storleken och kvaliteten på de odlade SiC-enkristallerna; det begränsade tillväxtområdet inuti degeln är en viktig faktor som begränsar diameterförstoringen [7]. Dessutom kan deglar införa metallföroreningar på grund av materialrenhet och bearbetningsfaktorer. När sådana föroreningar är närvarande orsakar de ojämn uppvärmning av degeln, vilket påverkar temperaturfältsfördelningen inuti ugnen och därmed kristallkvaliteten. För att undvika detta måste degeln genomgå reningsbehandling [2].
1.3 Frökristall
För SiC-kristaller uppvisar olika tillväxtriktningar olika tillväxthastigheter. Valet och arrangemanget av tillväxtytan påverkar inte bara kristallkvaliteten utan även kristallstorleken. Fröytans morfologi och struktur påverkar direkt antalet mikropipor och defekter i kristallen. För att få stora-enkristaller är en stor frökristall en förutsättning. Fröfastsättning sker vanligtvis med hjälp av lim. Vanligtvis löses modifierat fenolharts i etylacetoacetat för att bilda ett lim, som appliceras jämnt på baksidan av SiC-fröet och degellockets nedre yta. Tryck appliceras på fröytan för att få bort bubblor och överflödigt lim. Locket placeras sedan i en ugn för uppvärmning och hålls i 2 timmar, följt av förkolning av limmet i en argonatmosfär. Försiktighet måste iakttas för att säkerställa ett jämnt tryck under limningen för att undvika sprickbildning i fröet på grund av ojämn belastning [2].
1.4 Tillväxtparametrar
Inställningarna för temperatur, tryck, temperaturgradient, gastillförsel och andra parametrar under SiC-enkel-tillväxt påverkar direkt enhetligheten, kristalliniteten och defekta egenskaperna hos de avsatta kristallerna. Forskning och design av parametrar för kristalltillväxt har alltid varit ett nyckelfokus. Kristalltillväxtprocesser involverar främst kontroll av temperatur och tryck. SiC-kristalltillväxt inkluderar värmeöverföring, massöverföring och kemiska reaktioner. Temperaturfältsfördelningen inuti ugnen bestämmer till stor del kvaliteten och tillväxthastigheten för SiC-enkristallerna. Exakt förståelse av temperaturfältet och ångtransportprocesser är avgörande för att erhålla kristaller av hög-kvalitet och stor-storlek [7].
Topp-Seeded Solution Growth-metoden (TSSG).
TSSG-metoden, även känd som vätskefasmetoden-, odlar SiC-enkristaller i långsammare takt, men de producerade kristallerna har hög strukturell perfektion. TSSG-apparaten består av en induktionsspole, grafitisolering, en grafitdegel, en Si-smälta, en SiC-frökristall och en dragstång. Grafitdegeln används eftersom den är värme-beständig och korrosionsbeständig-, fungerar som en behållare för Si-smältan, och den tillhandahåller också kolkällan för kristalltillväxt. Kiselråvara och dopmedel placeras i grafitdegeln. Eftersom temperaturen vid degelväggen är hög medan den vid fröstaven är låg, löses kol från grafitdegeln och kombineras med smält kisel vid fröet och bildar SiC-kristaller. Jämfört med PVT-metoden erbjuder vätskefasmetoden fördelar såsom lägre dislokationsdensitet, lättare diameterexpansion och förmågan att erhålla kristaller av p-typ. Emellertid kvarstår frågor om kontroll av föroreningsinnehåll och val av övergångselement.
Eftersom kärnan i TSSG-metoden är upplösning och omkristallisering av kol i kiselsmältan, är en förbättrad kollöslighet i Si-lösningen nyckeln till framgångsrik SiC-enkristalltillväxt. Men lösligheten av kol i kisel är extremt låg, endast cirka 13 % även vid den peritetiska temperaturen på 3037 K. Dessutom förångas kisel direkt över 2273 K, så andra övergångs- eller sällsynta-jordartselement måste tillsättas Si-lösningen för att öka kollösligheten. Att välja ett lämpligt lösningsmedel är därför det mest kritiska steget för framgångsrik SiC-kristalltillväxt med TSSG-metoden. En annan viktig forskningsinriktning är att kontrollera de kinetiska processerna under tillväxten. Dessutom är lösningsmedelsinkludering och polytypkontroll viktiga frågor i lösningstillväxt [5,10].
Hög-Högtemperatur-kemisk ångdepositionsmetod (HTCVD).
HTCVD-reaktorn består av en grafitdegel med en frökristall placerad på toppen, extern isolering och induktionsvärme. Råmaterialen är gasformigt kisel- och kol-innehållande föreningar såsom SiH4, SiCl4, C₃H₈ och C₂H₂. Genom att kontrollera temperaturen och trycket inuti reaktorn växer SiC på fröet vid temperaturer på 2200 grader –2500 grader. Jämfört med PVT-metoden erbjuder HTCVD-metoden fördelar som hög renhet, bekväm kontroll av C/Si-förhållandet och kontinuerlig tillförsel av källmaterial. Dess nackdelar är att både kisel- och kolkällor kommer från gaser, och den höga tillväxttemperaturen leder till hög energiförbrukning och produktionskostnader [2-3].
3. Utvecklingstrender för enkristaller av kiselkarbid
Framöver kommer hög-kvalitetsteknik för förberedelse av SiC-enkel- att fortsätta att uppgraderas i fyra huvudriktningar: stor-storlek, hög-kvalitet, låg-kostnad och intelligent [11]:
Stor-storlek: Diametern på SiC-enkristaller har expanderat från tidig millimeter-skala till nuvarande 6-tum, 8-tum och till och med 12-tum och längre. Beredning av stora kristaller kan avsevärt förbättra produktionseffektiviteten, minska enhetstillverkningskostnaderna och bättre tillgodose behoven hos elektroniska enheter med hög effekt.
Hög-kvalitet: SiC-substrat av-hög kvalitet är grunden för tillförlitliga hög-enheter. Även om SiC-enkristallkvaliteten har förbättrats avsevärt, förblir kristalldefekter såsom mikrorör, dislokationer och föroreningar utbredda, vilket direkt påverkar enhetens prestanda och-tillförlitlighet på lång sikt. Framtida insatser kommer att fokusera på kontinuerliga genombrott inom defektkontroll.
Låg-kostnad: För närvarande begränsar den relativt höga kostnaden för SiC-enkristallberedning- dess storskaliga-tillämpning i fler scenarier. Framtida kostnadsminskningar kan uppnås genom att optimera kristalltillväxtprocesser, förbättra utbyte och produktionseffektivitet och minska råmaterial- och förbrukningsvaror i hela industrikedjan.
Intelligent: Med hjälp av artificiell intelligens, big data och andra teknologier kommer SiC-kristalltillväxtprocessen gradvis att bli mer intelligent. Genom implementering av-linjesensorer och automatiserade kontrollsystem kan real-övervakning och exakt reglering av hela tillväxtprocessen uppnås, vilket förbättrar processstabilitet och konsekvens. I kombination med stor-dataanalys kan tillväxtparametrar iterativt optimeras för att ytterligare förbättra kristallkvaliteten och produktionseffektiviteten.