Као полупроводник треће{0}}генерације, силицијум карбид (СиЦ) има електрична и термичка својства супериорнија од силицијумских, што га чини једним од идеалних материјала за производњу високо-температурних, високо-фреквентних,-снага и високонапонских уређаја. СиЦ је једињење састављено од силицијума и угљеника. Атоми силицијума и атоми угљеника формирају тетраедарску структуру. Кристали СиЦ имају више од 200 познатих политипова, који се формирају наизменичним атомским слојевима силицијума и слојевима атома угљеника на различите начине. Најчешћи су 3Ц-СиЦ (кубична структура, или -СиЦ), 4Х-СиЦ и 6Х-СиЦ (обе хексагоналне структуре, или -СиЦ).
3Ц-СиЦ
3Ц-СиЦ је најједноставнији СиЦ политип и има кубичну блиско-упаковану структуру. У овој структури, атоми силицијума и угљеника су распоређени на специфичан начин у тродимензионалном простору-формирајући високо симетричну кристалну структуру. Због своје симетрије, 3Ц-СиЦ има релативно лоша електронска и оптичка својства и тренутно се релативно мало користи у практичним применама.
4Х-СиЦ и 6Х-СиЦ
За разлику од 3Ц-СиЦ, 4Х-СиЦ и 6Х-СиЦ имају хексагонално затворене-структуре. Ова два политипа су супериорнија од 3Ц-СиЦ-а у покретљивости електрона, топлотној проводљивости и размаку појаса. 4Х-СиЦ има већу покретљивост електрона, што га чини идеалнијим за електронске уређаје високе{12}}и високе{13} снаге. Најшире се користи у областима као што су нова енергетска возила и 5Г комуникације, а тренутни произвођачи СиЦ-а углавном производе 4Х-СиЦ. 6Х-СиЦ има већи појас и због тога ради боље у окружењима високе{20}температуре и високог{21}радијације.
Технологије раста за СиЦ монокристале
Тренутно, главне технологије које се користе за раст кристала СиЦ укључују физички транспорт паре (ПВТ), високо{0}}хемијско таложење паре на високим температурама (ХТЦВД) и раст раствора са врхом -(ТССГ). Међу њима, ПВТ је тренутно најзрелији и најраспрострањенији СиЦ метод раста једног-кристала у Кини и иностранству.
Метода физичког транспорта паре (ПВТ).
Физички транспорт паре (ПВТ) је широко прихваћен метод за комерцијални раст СиЦ монокристала. Развијен је из Лели методе, коју је развио Лели 1955. године кроз процес сублимације. Међутим, Лели метода не може ефикасно да контролише раст појединачних-кристала. Године 1977. Таиров и Цветков су били први који су користили сублимацију засијавања за узгој монокристала СиЦ; овај метод се такође назива „модификована Лелијева метода“ или ПВТ метода.
У ПВТ-у, кристал за семе се поставља на врх графитног лончића, а прах -СиЦ високе чистоће се поставља на дно. Изван лончића је термоизолациони слој; индукциони грејни калем је изван изолационог слоја, а расхладна вода је унутар завојнице. Унутар лончића, контролисањем температуре и температурног градијента, СиЦ прах се претвара у гасовито стање и транспортује до кристала за семе, где затим долази до раста кристала. Сирови материјал за ПВТ је СиЦ прах високе{4} чистоће, а температура раста је 2100-2500 степени. Тренутно, неки домаћи произвођачи СиЦ користе ову методу као свој главни производни метод. Његови недостаци су висока температура раста, велика потрошња енергије и висока цена; одрасли кристали имају много недостатака, који утичу на перформансе уређаја и радни век.
Иако је технологија раста ПВТ СиЦ већ веома зрела, следећи проблеми остају у стварној производњи: У ПВТ расту СиЦ монокристала лако се јављају политипне транзиције, што доводи до поликристалних инклузија. Контрола једног политипа током раста кристала СиЦ је сложено питање. Узимајући као пример главне монокристале 4Х-СиЦ, на стабилан раст једног политипа утичу многи фактори, укључујући поларитет кристала семена, температуру раста, притисак раста, однос парне-фазе Си/Ц и тип допинга, што значи да прецизна регулација СиЦ политипа постаје тежа. Прецизна контрола температуре у пећи током ПВТ раста монокристала СиЦ такође остаје велики изазов. Поред тога, ПВТ се ослања на транспорт гаса и реакционе процесе на високим температурама, што поставља високе захтеве за проток гаса, кинетику реакције и тако даље.
Метода хемијског таложења на високим{0}}има (ХТЦВД).
У методи високотемпературног хемијског таложења паром (ХТЦВД), СиЦ кристал се ставља у лончић направљен од графита. Силан и гас-прекурсор-који садржи угљеник као сировине непрекидно улазе у лончић кроз реактор на дну. Силан се затим директно пиролизује у кластере Си, који реагују са угљоводоницима (ЦкХи) у гасу прекурсору који садржи угљеник- да би се формирао СиЦ монокристал испод зачетног кристала.
У поређењу са ПВТ-ом, ХТЦВД користи сировине веће-чистоће и може прецизно да контролише брзину уноса сировог материјала, однос Ц/Си и температуру раста током раста, чиме се производе -квалитетнији СиЦ кристали. Поред тога, директна пиролиза носећег гаса даје ХТЦВД-у већу енергетску ефикасност од других метода, а-брзи гас-носач помаже да кластери добијени пиролизом стигну до СиЦ-криста, тако да ХТЦВД расте СиЦ кристале брже од других метода.
ХТЦВД има предности као што су висок квалитет кристала, брза стопа раста и континуирано храњење. Међутим, пошто су опрема за раст и гасови-високе чистоће скупи, овај метод има високе трошкове производње и процес комерцијализације је спор. Истовремено, у ХТЦВД расту монокристала СиЦ, јер се СиХ4 и Ц3Х8 морају распасти на високој температури и подвргнути различитим реакцијама пре него што коначно расту кристали на семену СиЦ, ако се изворни гас распада пребрзо, улаз гаса ће бити блокиран; ако се изворни гас распада сувише споро, неизреаговани гас ће остати на излазу гаса и изазвати блокаду. Ово чини ХТЦВД СиЦ опрему за раст једног{7}}кристала релативно нестабилном. Поред тога, тренутна истраживања о ХТЦВД-у су недовољна, процес још није зрео и још је у фази истраживања и развоја, тако да ХТЦВД раст СиЦ монокристала није широко коришћен у индустрији.
Врх{0}}Метода раста са засадом раствора (ТССГ).
У методи раста-растућег раствора (ТССГ), извор силицијума је растопљени силицијум, а извор угљеника је графитна лончића високе чистоће{1}. Испод 2000 степени, растворљивост угљеника у топљењу силицијума је мања од 1%, што отежава постизање моларног односа Си:Ц=1:1 потребног за раст кристала СиЦ. Чак и на 2800 степени, растворљивост угљеника у силицијуму је само 19%. Стога, у стварним експериментима раста кристала СиЦ у течној{11}}фази, потребно је додати неке флуксове да би се повећала растворљивост угљеника у-раствору на високој температури. Уобичајени токови укључују Цр, Фе, Ти, итд. Током раста кристала, угљеник у графитном лончићу се постепено раствара у растоп и транспортује се кроз растоп до кристала за семе, омогућавајући континуирано снабдевање угљеником. Контролисањем параметара као што су брзина ротације семена/лончића, температурно поље и тренутна фреквенција и величина, одговарајући температурни градијенти, градијенти притиска и поља протока се формирају у топљењу, тако да угљеник може да се транспортује од зида лончића до кристала за семе. Међутим, у стварном расту, семенски кристал се често раствара и поликристални материјал се таложи на зиду лончића и на кристалу семена. Због тога, током процеса раста кристала, параметри раста морају бити прилагођени како би се цео систем одржао у одговарајућој динамичкој равнотежи, тако да се може постићи континуирани раст кристала.
ТССГ може припремити кристале СиЦ у блажим условима раста. Такође има техничке карактеристике као што су динамичка и прецизна регулација параметара процеса, континуирани раст експанзије пречника и једнообразно допирање типа п-. Постао је једна од висококонкурентних иновативних технологија за ниске-ценовне, високо-квалитетне СиЦ подлоге. Иако ТССГ има значајне предности у припреми кристала СиЦ, он такође има високе техничке баријере, које се углавном огледају у бројним процесним параметрима које треба регулисати; сваки неодговарајући избор параметара може пореметити динамичку равнотежу током раста кристала и изазвати озбиљне макроскопске дефекте.