Kot tretja{0}}generacija polprevodnikov ima silicijev karbid (SiC) boljše električne in toplotne lastnosti od silicija, zaradi česar je eden od idealnih materialov za izdelavo visoko-temperaturnih, visoko-frekvenčnih, visoko-močnih in-napetostnih naprav. SiC je spojina, sestavljena iz silicija in ogljika. Atomi silicija in atomi ogljika tvorijo tetraedrsko strukturo. Kristali SiC imajo več kot 200 znanih politipov, ki nastanejo z menjavanjem atomskih plasti silicija in atomskih plasti ogljika na različne načine. Najpogostejši so 3C-SiC (kubična struktura ali -SiC), 4H-SiC in 6H-SiC (obe heksagonalni strukturi ali -SiC).
3C-SiC
3C-SiC je najpreprostejši politip SiC in ima kubično tesno-zapakirano strukturo. V tej strukturi so atomi silicija in ogljika razporejeni na poseben način v tri-dimenzionalnem prostoru in tvorijo visoko simetrično kristalno strukturo. Zaradi svoje simetrije ima 3C-SiC razmeroma slabe elektronske in optične lastnosti in se trenutno relativno malo uporablja v praktičnih aplikacijah.
4H-SiC in 6H-SiC
Za razliko od 3C-SiC imata 4H-SiC in 6H-SiC heksagonalne tesno-zapakirane strukture. Ta dva politipa sta boljša od 3C-SiC glede mobilnosti elektronov, toplotne prevodnosti in pasovne vrzeli. 4H-SiC ima večjo mobilnost elektronov, zaradi česar je bolj idealen za visoko{12}}frekvenčne in-elektronske naprave. Najpogosteje se uporablja na področjih, kot so nova energetska vozila in komunikacije 5G, trenutni proizvajalci SiC pa večinoma proizvajajo 4H-SiC. 6H-SiC ima večjo pasovno vrzel in zato deluje bolje v okoljih z visoko-temperaturo in visokim-sevanjem.
Tehnologije rasti za monokristale SiC
Trenutno glavne tehnologije, ki se uporabljajo za rast kristalov SiC, vključujejo fizični transport hlapov (PVT), visoko{0}}temperaturno kemično nanašanje hlapov (HTCVD) in rast-raztopine z zasaditvijo (TSSG). Med njimi je PVT trenutno najbolj zrela in najpogosteje uporabljena metoda rasti mono-kristalov SiC na Kitajskem in v tujini.
Metoda fizičnega prenosa hlapov (PVT).
Fizični transport pare (PVT) je splošno sprejeta metoda za komercialno rast monokristalov SiC. Razvita je bila iz metode Lely, ki jo je razvil Lely leta 1955 s postopkom sublimacije. Vendar pa metoda Lely ne more učinkovito nadzorovati rasti posameznega-kristala. Leta 1977 sta bila Tairov in Tsvetkov prva, ki sta uporabila začetno sublimacijo za gojenje monokristalov SiC; ta metoda se imenuje tudi "modificirana metoda Lely" ali metoda PVT.
Pri PVT je zarodni kristal postavljen na vrh grafitnega lončka, prah -SiC visoke čistosti pa na dno. Zunaj lončka je toplotno izolacijska plast; indukcijska grelna tuljava je zunaj izolacijskega sloja, hladilna voda pa je znotraj tuljave. Znotraj lončka se z nadzorovanjem temperature in temperaturnega gradienta prah SiC pretvori v plinasto stanje in transportira do začetnega kristala, kjer nato pride do rasti kristalov. Surovina za PVT je SiC prah-visoke čistosti, temperatura rasti pa je 2100 stopinj –2500 stopinj. Trenutno nekateri domači proizvajalci SiC uporabljajo to metodo kot glavno proizvodno metodo. Njegove slabosti so visoka rastna temperatura, visoka poraba energije in visoki stroški; gojeni kristali imajo številne napake, ki vplivajo na delovanje in življenjsko dobo naprave.
Čeprav je tehnologija rasti PVT SiC že zelo zrela, v dejanski proizvodnji ostajajo naslednje težave: Pri rasti monokristalov SiC pri PVT zlahka pride do politipskih prehodov, kar vodi do polikristalnih vključkov. Nadzorovanje posameznega politipa med rastjo kristalov SiC je zapleteno vprašanje. Če za primer vzamemo običajne monokristale 4H-SiC, na stabilno rast posameznega politipa vplivajo številni dejavniki, vključno s polarnostjo začetnega kristala, rastno temperaturo, rastnim tlakom, parno-fazno razmerje Si/C in vrsto dopinga, kar pomeni, da postane natančna regulacija politipa SiC težja. Velik izziv ostaja tudi natančen nadzor temperature v peči med PVT rastjo monokristalov SiC. Poleg tega se PVT zanaša na transport plina in reakcijske procese pri visokih temperaturah, kar postavlja visoke zahteve glede pretoka plina, reakcijske kinetike itd.
Metoda visoko{0}}temperaturnega kemičnega naparjevanja (HTCVD).
Pri visoko{0}}metodi kemičnega naparjevanja (HTCVD) se kalilni kristal SiC postavi v lonček iz grafita. Silan in predhodni plin-, ki vsebujeta ogljik, kot surovini nenehno vstopata v lonček skozi spodnji reaktor. Silan nato neposredno pirolizira v skupine Si, ki reagirajo z ogljikovodiki (CxHy) v predhodnem plinu, ki vsebuje ogljik-, da tvorijo monokristal SiC pod zarodnim kristalom.
V primerjavi s PVT uporablja HTCVD surovine višje-čistosti in lahko natančno nadzira hitrost dovajanja surovin, razmerje C/Si in temperaturo rasti med rastjo, s čimer proizvaja kristale SiC višje{1}}kakovostnosti. Poleg tega neposredna piroliza nosilnega plina daje HTCVD višjo energijsko učinkovitost kot druge metode, visoko-hitri nosilni plin pa pomaga grozdom, pridobljenim s pirolizo, doseči zarodni kristal SiC, tako da HTCVD raste kristale SiC hitreje kot druge metode.
HTCVD ima prednosti, kot so visoka kakovost kristalov, hitra stopnja rasti in neprekinjeno hranjenje. Ker pa so oprema za rast in plini visoke -čistosti dragi, ima ta metoda visoke proizvodne stroške in postopek njene komercializacije je počasen. Hkrati pa pri HTCVD rasti monokristalov SiC, ker se morata SiH4 in C3H8 razgraditi pri visoki temperaturi in opraviti različne reakcije, preden končno rastejo kristali na semenu SiC, če se izvorni plin prehitro razgradi, bo dovod plina blokiran; če izvorni plin razpada prepočasi, bo nereagiran plin ostal na izhodu plina in povzročil blokado. Zaradi tega je oprema za rast monokristalov HTCVD SiC razmeroma nestabilna. Poleg tega so trenutne raziskave o HTCVD nezadostne, proces še ni zrel in je še vedno v fazi raziskav in razvoja, zato se HTCVD rast monokristalov SiC v industriji ne uporablja široko.
Top-Seeded Solution Growth (TSSG) metoda
Pri metodi top-seeded solution growth (TSSG) je vir silicija talina silicija, vir ogljika pa grafitni lonček visoke-čistosti. Pod 2000 stopinjami je topnost ogljika v talini silicija manjša od 1 %, zaradi česar je težko doseči molsko razmerje Si:C=1:1, ki je potrebno za rast kristalov SiC. Tudi pri 2800 stopinjah je topnost ogljika v siliciju le 19 %. Zato je treba v dejanskih poskusih rasti kristalov SiC v tekoči{11}}fazi dodati nekaj tokov, da se poveča topnost ogljika v visoko{12}}temperaturni raztopini. Običajni tokovi vključujejo Cr, Fe, Ti itd. Med rastjo kristala se ogljik v grafitnem lončku postopoma raztopi v talini in se skozi talino prenaša do zarodnega kristala, kar omogoča neprekinjeno oskrbo z ogljikom. Z nadzorovanjem parametrov, kot so hitrost vrtenja semena/lončka, temperaturno polje ter trenutna frekvenca in velikost, se v talini oblikujejo ustrezni temperaturni gradienti, gradienti tlaka in polja pretoka, tako da se ogljik lahko prenaša od stene lončka do kristala semena. Vendar pa se pri dejanski rasti zarodni kristal pogosto raztopi in polikristalni material se obori na steni lončka in na zarodnem kristalu. Zato je treba v celotnem procesu rasti kristalov prilagoditi parametre rasti, da ohranijo celoten sistem v ustreznem dinamičnem ravnovesju, tako da je mogoče doseči neprekinjeno rast kristalov.
TSSG lahko pripravi kristale SiC v blažjih pogojih rasti. Ima tudi tehnične značilnosti, kot so dinamična in natančna regulacija procesnih parametrov, neprekinjena rast širitve premera in enakomerno visoko dopiranje tipa p-. Postala je ena izmed zelo konkurenčnih inovativnih tehnologij za nizko-cenovne,-kakovostne SiC substrate. Čeprav ima TSSG pomembne prednosti pri pripravi kristalov SiC, ima tudi visoke tehnične ovire, ki se odražajo predvsem v številnih procesnih parametrih, ki jih je treba regulirati; vsaka neustrezna izbira parametrov lahko poruši dinamično ravnovesje med rastjo kristalov in povzroči resne makroskopske napake.