Ως ημιαγωγός τρίτης γενιάς, το καρβίδιο του πυριτίου (SiC) έχει ηλεκτρικές και θερμικές ιδιότητες ανώτερες από αυτές του πυριτίου, καθιστώντας το ένα από τα ιδανικά υλικά για την κατασκευή συσκευών υψηλής-θερμοκρασίας, υψηλής-συχνότητας, υψηλής-ισχύς και υψηλής{4} τάσης. Το SiC είναι μια ένωση που αποτελείται από πυρίτιο και άνθρακα. Τα άτομα πυριτίου και τα άτομα άνθρακα σχηματίζουν μια τετραεδρική δομή. Οι κρύσταλλοι SiC έχουν περισσότερους από 200 γνωστούς πολυτύπους, οι οποίοι σχηματίζονται από εναλλασσόμενα ατομικά στρώματα πυριτίου και ατομικά στρώματα άνθρακα με διαφορετικούς τρόπους. Τα πιο συνηθισμένα είναι το 3C-SiC (κυβική δομή ή -SiC), το 4H-SiC και το 6H-SiC (και οι δύο εξαγωνικές δομές ή -SiC).
3C-SiC
Το 3C-Το SiC είναι ο απλούστερος πολυτύπος SiC και έχει μια κυβική δομή-κλειστή. Σε αυτή τη δομή, τα άτομα πυριτίου και άνθρακα είναι διατεταγμένα με συγκεκριμένο τρόπο σε τρισδιάστατο- χώρο, σχηματίζοντας μια εξαιρετικά συμμετρική κρυσταλλική δομή. Λόγω της συμμετρίας του, το 3C-SiC έχει σχετικά κακές ηλεκτρονικές και οπτικές ιδιότητες και επί του παρόντος χρησιμοποιείται σχετικά λίγο σε πρακτικές εφαρμογές.
4H-SiC και 6H-SiC
Σε αντίθεση με το 3C-SiC, το 4H-SiC και το 6H-SiC έχουν εξαγωνικές κλειστές-δομές. Αυτοί οι δύο πολυτύποι είναι ανώτεροι από το 3C-SiC στην κινητικότητα των ηλεκτρονίων, τη θερμική αγωγιμότητα και το διάκενο ζώνης{10}}Το H-SiC έχει υψηλότερη κινητικότητα ηλεκτρονίων, καθιστώντας το πιο ιδανικό για ηλεκτρονικές συσκευές υψηλής-συχνότητας και υψηλής{13}} ισχύος. Χρησιμοποιείται ευρύτερα σε τομείς όπως τα νέα ενεργειακά οχήματα και οι επικοινωνίες 5G, και οι σημερινοί κατασκευαστές SiC παράγουν κυρίως 4H-SiC. 6H-Το SiC έχει μεγαλύτερο διάκενο ζώνης και επομένως αποδίδει καλύτερα σε περιβάλλοντα υψηλής-θερμοκρασίας και υψηλής{21} ακτινοβολίας.
Τεχνολογίες ανάπτυξης για μονοκρυστάλλους SiC
Προς το παρόν, οι κύριες τεχνολογίες που χρησιμοποιούνται για την ανάπτυξη κρυστάλλων SiC περιλαμβάνουν τη φυσική μεταφορά ατμών (PVT), την εναπόθεση χημικών ατμών σε υψηλή{0} θερμοκρασία (HTCVD) και την ανάπτυξη διαλύματος κορυφαίας-σπόρων (TSSG). Μεταξύ αυτών, η PVT είναι αυτή τη στιγμή η πιο ώριμη και πιο ευρέως χρησιμοποιούμενη μέθοδος ανάπτυξης μονοκρυστάλλου SiC- στην Κίνα και στο εξωτερικό.
Μέθοδος Φυσικής Μεταφοράς Ατμών (PVT).
Η φυσική μεταφορά ατμών (PVT) είναι μια ευρέως διαδεδομένη μέθοδος για την εμπορική ανάπτυξη μονοκρυστάλλων SiC. Αναπτύχθηκε από τη μέθοδο Lely, η οποία αναπτύχθηκε από τον Lely το 1955 μέσω μιας διαδικασίας εξάχνωσης. Ωστόσο, η μέθοδος Lely δεν μπορεί να ελέγξει αποτελεσματικά την ανάπτυξη ενός κρυστάλλου-. Το 1977, οι Tairov και Tsvetkov ήταν οι πρώτοι που χρησιμοποίησαν την εξάχνωση με σπόρους για να αναπτύξουν μονοκρυστάλλους SiC. αυτή η μέθοδος ονομάζεται επίσης "τροποποιημένη μέθοδος Lely" ή μέθοδος PVT.
Στο PVT, ένας κρύσταλλος σπόρων τοποθετείται στην κορυφή ενός χωνευτηρίου γραφίτη και η σκόνη SiC υψηλής καθαρότητας-στο κάτω μέρος. Έξω από το χωνευτήριο υπάρχει ένα θερμομονωτικό στρώμα. ένα επαγωγικό πηνίο θέρμανσης βρίσκεται έξω από το στρώμα μόνωσης και το νερό ψύξης βρίσκεται μέσα στο πηνίο. Μέσα στο χωνευτήριο, ελέγχοντας τη θερμοκρασία και την κλίση θερμοκρασίας, η σκόνη SiC μετατρέπεται σε αέρια κατάσταση και μεταφέρεται στον κρύσταλλο των σπόρων, όπου στη συνέχεια εμφανίζεται η ανάπτυξη κρυστάλλων. Η πρώτη ύλη για το PVT είναι σκόνη SiC υψηλής{4}καθαρότητας και η θερμοκρασία ανάπτυξης είναι 2100 βαθμοί – 2500 μοίρες. Επί του παρόντος, ορισμένοι εγχώριοι κατασκευαστές SiC χρησιμοποιούν αυτή τη μέθοδο ως την κύρια μέθοδο παραγωγής τους. Τα μειονεκτήματά του είναι η υψηλή θερμοκρασία ανάπτυξης, η υψηλή κατανάλωση ενέργειας και το υψηλό κόστος. οι αναπτυσσόμενοι κρύσταλλοι έχουν πολλά ελαττώματα, τα οποία επηρεάζουν την απόδοση και τη διάρκεια ζωής της συσκευής.
Αν και η τεχνολογία ανάπτυξης PVT SiC είναι ήδη πολύ ώριμη, τα ακόλουθα προβλήματα παραμένουν στην πραγματική παραγωγή: Στην ανάπτυξη PVT μονοκρυστάλλων SiC, συμβαίνουν εύκολα μεταβάσεις πολυτύπου, οδηγώντας σε πολυκρυσταλλικά εγκλείσματα. Ο έλεγχος ενός μεμονωμένου πολυτύπου κατά την ανάπτυξη κρυστάλλων SiC είναι ένα περίπλοκο ζήτημα. Λαμβάνοντας για παράδειγμα τους κύριους μονοκρυστάλλους 4H-SiC, η σταθερή ανάπτυξη ενός μεμονωμένου πολυτύπου επηρεάζεται από πολλούς παράγοντες, όπως η πολικότητα των κρυστάλλων σπόρων, η θερμοκρασία ανάπτυξης, η πίεση ανάπτυξης, η αναλογία ατμών-φάσης Si/C και ο τύπος ντόπινγκ, πράγμα που σημαίνει ότι η ακριβής ρύθμιση του πολυτύπου SiC γίνεται πιο δύσκολη. Ο ακριβής έλεγχος θερμοκρασίας στον κλίβανο κατά την ανάπτυξη PVT μονοκρυστάλλων SiC παραμένει επίσης μια τεράστια πρόκληση. Επιπλέον, το PVT βασίζεται σε διαδικασίες μεταφοράς αερίου και αντίδρασης σε υψηλές θερμοκρασίες, γεγονός που δημιουργεί υψηλές απαιτήσεις στη ροή αερίου, την κινητική αντίδρασης κ.λπ.
Μέθοδος Εναπόθεσης Χημικών Ατμών σε Υψηλή-Θερμοκρασία (HTCVD).
Στη μέθοδο χημικής απόθεσης ατμών σε Το σιλάνιο και ένας άνθρακας-που περιέχει πρόδρομο αέριο ως πρώτες ύλες εισέρχονται συνεχώς στο χωνευτήριο μέσω ενός αντιδραστήρα πυθμένα. Το σιλάνιο στη συνέχεια πυρολύεται απευθείας σε συστάδες Si, οι οποίες αντιδρούν με υδρογονάνθρακες (CxHy) στον άνθρακα-που περιέχει πρόδρομο αέριο για να σχηματίσουν έναν μονοκρύσταλλο SiC κάτω από τον κρύσταλλο των σπόρων.
Σε σύγκριση με το PVT, το HTCVD χρησιμοποιεί πρώτες ύλες υψηλότερης-καθαρότητας και μπορεί να ελέγξει με ακρίβεια τον ρυθμό τροφοδοσίας της πρώτης ύλης, την αναλογία C/Si και τη θερμοκρασία ανάπτυξης κατά τη διάρκεια της ανάπτυξης, παράγοντας έτσι κρυστάλλους SiC υψηλότερης- ποιότητας. Επιπλέον, η άμεση πυρόλυση του φέροντος αερίου δίνει στο HTCVD υψηλότερη ενεργειακή απόδοση από άλλες μεθόδους και το φέρον αέριο υψηλής-ταχύτητας βοηθά τα συμπλέγματα που λαμβάνονται με πυρόλυση να φτάσουν στον κρύσταλλο των σπόρων SiC, έτσι το HTCVD αναπτύσσει τους κρυστάλλους SiC πιο γρήγορα από άλλες μεθόδους.
Το HTCVD έχει πλεονεκτήματα όπως η υψηλή ποιότητα κρυστάλλου, ο γρήγορος ρυθμός ανάπτυξης και η συνεχής τροφοδοσία. Ωστόσο, επειδή ο εξοπλισμός ανάπτυξης και τα αέρια υψηλής{1} καθαρότητας είναι ακριβά, αυτή η μέθοδος έχει υψηλό κόστος παραγωγής και η διαδικασία εμπορευματοποίησής της είναι αργή. Ταυτόχρονα, στην HTCVD ανάπτυξη μονοκρυστάλλων SiC, επειδή τα SiH4 και C3H8 πρέπει να αποσυντεθούν σε υψηλή θερμοκρασία και να υποστούν διάφορες αντιδράσεις πριν τελικά αναπτυχθούν κρύσταλλοι στον σπόρο SiC, εάν το αέριο πηγής αποσυντεθεί πολύ γρήγορα, η είσοδος αερίου θα μπλοκαριστεί. εάν το αέριο της πηγής αποσυντίθεται πολύ αργά, το αέριο που δεν αντέδρασε θα παραμείνει στην έξοδο του αερίου και θα προκαλέσει απόφραξη. Αυτό καθιστά τον εξοπλισμό ανάπτυξης μονού κρυστάλλου HTCVD SiC σχετικά ασταθή. Επιπλέον, η τρέχουσα έρευνα για το HTCVD είναι ανεπαρκής, η διαδικασία δεν είναι ακόμη ώριμη και βρίσκεται ακόμα στο στάδιο Ε&Α, επομένως η ανάπτυξη μονοκρυστάλλων SiC HTCVD δεν χρησιμοποιείται ευρέως στη βιομηχανία.
Κορυφαία-Μέθοδος ανάπτυξης διαλύματος σποράς (TSSG).
Στη μέθοδο ανάπτυξης του κορυφαίου-διαλυμάτων με σπόρους (TSSG), η πηγή πυριτίου είναι ένα τήγμα πυριτίου και η πηγή άνθρακα είναι ένα χωνευτήριο γραφίτη υψηλής-καθαρότητας. Κάτω από τους 2000 βαθμούς, η διαλυτότητα του άνθρακα στο τήγμα πυριτίου είναι μικρότερη από 1%, καθιστώντας δύσκολη την επίτευξη της μοριακής αναλογίας Si:C=1:1 που απαιτείται για την ανάπτυξη κρυστάλλων SiC. Ακόμη και στους 2800 βαθμούς, η διαλυτότητα του άνθρακα στο πυρίτιο είναι μόνο 19%. Επομένως, σε πραγματικά πειράματα ανάπτυξης κρυστάλλων σε υγρή-φάση SiC, πρέπει να προστεθούν ορισμένες ροές για να αυξηθεί η διαλυτότητα του άνθρακα στο διάλυμα υψηλής{{12} θερμοκρασίας. Οι κοινές ροές περιλαμβάνουν Cr, Fe, Ti, κ.λπ. Κατά την ανάπτυξη των κρυστάλλων, ο άνθρακας στο χωνευτήριο γραφίτη διαλύεται σταδιακά στο τήγμα και μεταφέρεται μέσω του τήγματος στον κρύσταλλο των σπόρων, επιτρέποντας συνεχή παροχή άνθρακα. Με τον έλεγχο παραμέτρων όπως η ταχύτητα περιστροφής σπόρων/χωνευτηρίου, το πεδίο θερμοκρασίας και η συχνότητα και το μέγεθος του ρεύματος, σχηματίζονται στο τήγμα κατάλληλες διαβαθμίσεις θερμοκρασίας, βαθμίδες πίεσης και πεδία ροής, έτσι ώστε ο άνθρακας να μπορεί να μεταφερθεί από το τοίχωμα του χωνευτηρίου στον κρύσταλλο των σπόρων. Ωστόσο, στην πραγματική ανάπτυξη, ο κρύσταλλος των σπόρων συχνά διαλύεται και το πολυκρυσταλλικό υλικό καθιζάνει στο τοίχωμα του χωνευτηρίου και στον κρύσταλλο των σπόρων. Επομένως, καθ' όλη τη διάρκεια της διαδικασίας ανάπτυξης κρυστάλλων, οι παράμετροι ανάπτυξης πρέπει να προσαρμόζονται για να διατηρείται ολόκληρο το σύστημα σε μια κατάλληλη δυναμική ισορροπία, έτσι ώστε να μπορεί να επιτευχθεί συνεχής ανάπτυξη κρυστάλλων.
Το TSSG μπορεί να παρασκευάσει κρυστάλλους SiC κάτω από ηπιότερες συνθήκες ανάπτυξης. Διαθέτει επίσης τεχνικά χαρακτηριστικά, όπως δυναμική και ακριβή ρύθμιση των παραμέτρων της διαδικασίας, συνεχή αύξηση της διαμέτρου και ομοιόμορφο ντόπινγκ υψηλού τύπου p-. Έχει γίνει μία από τις άκρως ανταγωνιστικές καινοτόμες τεχνολογίες για υποστρώματα SiC χαμηλού-κοστού και υψηλής-ποιότητας. Αν και το TSSG έχει σημαντικά πλεονεκτήματα στην παρασκευή κρυστάλλων SiC, έχει επίσης υψηλά τεχνικά εμπόδια, τα οποία αντικατοπτρίζονται κυρίως στις πολυάριθμες παραμέτρους της διαδικασίας που πρέπει να ρυθμιστούν. οποιαδήποτε ακατάλληλη επιλογή παραμέτρων μπορεί να διαταράξει τη δυναμική ισορροπία κατά την ανάπτυξη των κρυστάλλων και να προκαλέσει σοβαρά μακροσκοπικά ελαττώματα.