Будучи напівпровідником третього-покоління, карбід кремнію (SiC) має кращі електричні та теплові властивості, ніж у кремнію, що робить його одним із ідеальних матеріалів для виготовлення пристроїв із високою-температурою, високою{2}}частотою, високою-потужністю та-напругою. SiC - це сполука, що складається з кремнію та вуглецю. Атоми кремнію та атоми вуглецю утворюють тетраедричну структуру. Кристали SiC мають понад 200 відомих політипів, які утворені різними способами чергування атомних шарів кремнію та атомних шарів вуглецю. Найпоширенішими є 3C-SiC (кубічна структура, або -SiC), 4H-SiC і 6H-SiC (обидві гексагональні структури, або -SiC).
3C-SiC
3C-SiC є найпростішим політипом SiC і має кубічну щільно{2}}упаковану структуру. У цій структурі атоми кремнію та вуглецю розташовані певним чином у три-вимірному просторі, утворюючи високосиметричну кристалічну структуру. Завдяки своїй симетрії 3C-SiC має відносно погані електронні та оптичні властивості і наразі відносно мало використовується в практичних застосуваннях.
4H-SiC і 6H-SiC
На відміну від 3C-SiC, 4H-SiC і 6H-SiC мають гексагональні щільно-упаковані структури. Ці два політипи перевершують 3C-SiC за рухливістю електронів, теплопровідністю та шириною забороненої зони. 4H-SiC має вищу рухливість електронів, що робить його ідеальнішим для високо-частотних і-потужних електронних пристроїв. Він найбільш широко використовується в таких галузях, як транспортні засоби нових джерел енергії та зв’язок 5G, а нинішні виробники SiC переважно виробляють 4H-SiC. 6H-SiC має більшу заборонену зону, а отже, працює краще за високих-температур і-радіаційних середовищ.
Технології вирощування монокристалів SiC
Наразі основні технології, що використовуються для вирощування кристалів SiC, включають фізичний транспорт із парів (PVT), високо-температурне хімічне осадження з парів (HTCVD) і вирощування з верхньої{1}}затравки розчину (TSSG). Серед них PVT наразі є найдосконалішим і найбільш широко використовуваним методом вирощування монокристалів SiC у Китаї та за кордоном.
Метод фізичного переносу пари (PVT).
Фізичний транспорт парів (PVT) є широко поширеним методом комерційного вирощування монокристалів SiC. Він був розроблений на основі методу Lely, розробленого Lely у 1955 році за допомогою процесу сублімації. Однак метод Лелі не може ефективно контролювати ріст окремих-кристалів. У 1977 році Таїров і Цвєтков першими застосували затравкову сублімацію для вирощування монокристалів SiC; цей метод також називають «модифікованим методом Лелі» або методом PVT.
У PVT затравковий кристал розміщується у верхній частині графітового тигля, а порошок високої-SiC — унизу. Зовні тигля знаходиться теплоізоляційний шар; індукційна нагрівальна котушка знаходиться поза шаром ізоляції, а охолоджуюча вода знаходиться всередині котушки. Усередині тигля за допомогою контролю температури та температурного градієнта порошок SiC перетворюється в газоподібний стан і транспортується до затравкового кристала, де потім відбувається ріст кристалів. Сировиною для PVT є порошок SiC високої чистоти, а температура росту становить 2100–2500 градусів. В даний час деякі вітчизняні виробники SiC використовують цей метод як основний метод виробництва. Недоліками є висока температура росту, висока енергоємність, висока вартість; вирощені кристали мають багато дефектів, які впливають на продуктивність і термін служби пристрою.
Незважаючи на те, що технологія PVT вирощування SiC вже дуже зріла, у фактичному виробництві залишаються наступні проблеми: Під час PVT вирощування монокристалів SiC легко відбуваються політипові переходи, що призводить до полікристалічних включень. Контроль одного політипу під час росту кристалів SiC є складним питанням. Взявши як приклад основні монокристали 4H-SiC, на стабільний ріст окремого політипу впливає багато факторів, зокрема полярність затравкового кристала, температура росту, тиск росту, співвідношення паро-фази Si/C і тип легування, що означає, що точне регулювання політипу SiC стає важчим. Точний контроль температури в печі під час PVT вирощування монокристалів SiC також залишається величезною проблемою. Крім того, PVT залежить від транспортування газу та реакційних процесів при високих температурах, що висуває високі вимоги до потоку газу, кінетики реакції тощо.
Метод -високотемпературного хімічного осадження з парової фази (HTCVD).
У -методі високотемпературного хімічного осадження з парової фази (HTCVD) затравковий кристал SiC поміщають у тигель із графіту. Силан і вуглець-вмісний газ-попередник як сировина безперервно надходять у тигель через нижній реактор. Потім силан безпосередньо піролізується в кластери кремнію, які реагують з вуглеводнями (CxHy) у газі-попереднику, що містить вуглець-, утворюючи монокристал SiC під зародковим кристалом.
Порівняно з PVT, HTCVD використовує сировину вищої-чистоти та може точно контролювати швидкість подачі сировини, співвідношення C/Si та температуру росту під час росту, таким чином виробляючи кристали SiC вищої{1}}якості. Крім того, прямий піроліз газу-носія дає HTCVD вищу енергоефективність, ніж інші методи, а високо-швидкісний газ-носій допомагає кластерам, отриманим у результаті піролізу, досягти затравкових кристалів SiC, тому HTCVD вирощує кристали SiC швидше, ніж інші методи.
HTCVD має такі переваги, як висока якість кристалів, швидкий темп росту та постійне живлення. Однак, оскільки обладнання для вирощування та високо{1}}чисті гази дорогі, цей метод має високі витрати на виробництво, а процес його комерціалізації відбувається повільно. У той же час, при HTCVD зростанні монокристалів SiC, оскільки SiH4 і C3H8 повинні розкладатися при високій температурі та проходити різні реакції, перш ніж остаточно виростити кристали на затраві SiC, якщо вихідний газ розкладається занадто швидко, вхідний отвір газу буде заблокований; якщо вихідний газ розкладається занадто повільно, газ, що не прореагував, залишиться на виході газу та спричинить закупорку. Це робить обладнання для вирощування монокристалів HTCVD SiC відносно нестабільним. Крім того, поточні дослідження HTCVD є недостатніми, процес ще не зрілий, і він все ще знаходиться на стадії досліджень і розробок, тому вирощування монокристалів SiC HTCVD не має широкого застосування в промисловості.
Метод -зростання розчину із засіванням (TSSG).
У методі росту-з розчину з верхньою затравкою (TSSG) джерелом кремнію є розплав кремнію, а джерелом вуглецю — високо{1}}графітовий тигель. Нижче 2000 градусів розчинність вуглецю в розплаві кремнію становить менше 1%, що ускладнює досягнення молярного співвідношення Si:C=1:1, необхідного для росту кристалів SiC. Навіть при 2800 градусах розчинність вуглецю в кремнії становить лише 19%. Тому в реальних експериментах зі зростанням кристалів SiC у рідкій{11}}фазі потрібно додати деякі флюси, щоб збільшити розчинність вуглецю у високо{12}}температурному розчині. Звичайні флюси включають Cr, Fe, Ti тощо. Під час росту кристалів вуглець у графітовому тиглі поступово розчиняється в розплаві та транспортується через розплав до затравкового кристала, забезпечуючи безперервну подачу вуглецю. Контролюючи такі параметри, як швидкість обертання затравки/тигля, температурне поле, частота та величина струму, у розплаві формуються відповідні градієнти температури, градієнти тиску та поля потоку, щоб вуглець міг транспортуватися від стінки тигля до затравкового кристала. Однак під час фактичного росту затравковий кристал часто розчиняється, і полікристалічний матеріал випадає в осад на стінці тигля та на затравковому кристалі. Тому протягом усього процесу росту кристала параметри росту необхідно регулювати, щоб утримувати всю систему у відповідній динамічній рівновазі, щоб можна було досягти безперервного росту кристала.
TSSG може отримувати кристали SiC у більш м’яких умовах росту. Він також має такі технічні характеристики, як динамічне й точне регулювання параметрів процесу, безперервне збільшення діаметра та рівномірне легування високого типу p-. Це стало однією з висококонкурентоспроможних інноваційних технологій для недорогих-високо{4}}якісних підкладок SiC. Хоча TSSG має значні переваги при виготовленні кристалів SiC, він також має високі технічні бар’єри, головним чином відображені в численних параметрах процесу, які необхідно регулювати; будь-який невідповідний вибір параметра може порушити динамічну рівновагу під час росту кристалів і викликати серйозні макроскопічні дефекти.