Som en tredje-generations halvleder har siliciumcarbid (SiC) elektriske og termiske egenskaber, der er bedre end siliciums, hvilket gør det til et af de ideelle materialer til fremstilling af enheder med høj-temperatur, høj-frekvens, høj-effekt og høj-spænding. SiC er en forbindelse sammensat af silicium og kulstof. Siliciumatomer og carbonatomer danner en tetraedrisk struktur. SiC-krystaller har mere end 200 kendte polytyper, som er dannet ved at veksle silicium-atomlag og kulstofatomlag på forskellige måder. De mest almindelige er 3C-SiC (kubisk struktur eller -SiC), 4H-SiC og 6H-SiC (begge sekskantede strukturer eller -SiC).
3C-SiC
3C-SiC er den enkleste SiC-polytype og har en kubisk tæt-pakket struktur. I denne struktur er silicium og kulstofatomer arrangeret på en bestemt måde i tre-dimensionelt rum, og danner en meget symmetrisk krystalstruktur. På grund af dets symmetri har 3C-SiC relativt dårlige elektroniske og optiske egenskaber og bruges i øjeblikket relativt lidt i praktiske applikationer.
4H-SiC og 6H-SiC
I modsætning til 3C-SiC har 4H-SiC og 6H-SiC sekskantede tætpakkede-strukturer. Disse to polytyper er overlegne i forhold til 3C-SiC med hensyn til elektronmobilitet, termisk ledningsevne og båndgab. 4H-SiC har højere elektronmobilitet, hvilket gør den mere ideel til høj-elektroniske enheder med høj-effekt. Det er mest udbredt inden for områder som nye energikøretøjer og 5G-kommunikation, og nuværende SiC-producenter producerer hovedsageligt 4H-SiC. 6H-SiC har et større båndgab og klarer sig derfor bedre i miljøer med høj-temperatur og høj-stråling.
Vækstteknologier til SiC-enkeltkrystaller
På nuværende tidspunkt omfatter de vigtigste teknologier, der bruges til SiC-krystalvækst, fysisk damptransport (PVT), høj-temperatur kemisk dampaflejring (HTCVD) og top-opløsningsvækst (TSSG). Blandt dem er PVT i øjeblikket den mest modne og mest udbredte SiC-enkeltkrystalvækstmetode- i Kina og i udlandet.
Fysisk damptransport (PVT) metode
Fysisk damptransport (PVT) er en bredt anvendt metode til kommerciel vækst af SiC-enkeltkrystaller. Den blev udviklet ud fra Lely-metoden, som blev udviklet af Lely i 1955 gennem en sublimeringsproces. Lely-metoden kan dog ikke effektivt kontrollere enkelt-krystalvækst. I 1977 var Tairov og Tsvetkov de første til at bruge seeded sublimation til at dyrke SiC-enkeltkrystaller; denne metode kaldes også den "modificerede Lely-metode" eller PVT-metoden.
I PVT placeres en frøkrystal i toppen af en grafitdigel, og SiC-pulver med høj-renhed er placeret i bunden. Udenfor diglen er et termisk isoleringslag; en induktionsvarmeflade er uden for isoleringslaget, og kølevand er inde i batteriet. Inde i diglen omdannes SiC-pulveret til en gasform ved at kontrollere temperatur- og temperaturgradienten og transporteres til frøkrystallen, hvor der så sker krystalvækst. Råmaterialet til PVT er høj-rent SiC-pulver, og væksttemperaturen er 2100 grader –2500 grader. På nuværende tidspunkt bruger nogle indenlandske SiC-producenter denne metode som deres almindelige produktionsmetode. Dens ulemper er høj væksttemperatur, højt strømforbrug og høje omkostninger; de dyrkede krystaller har mange defekter, som påvirker enhedens ydeevne og levetid.
Selvom PVT SiC-vækstteknologi allerede er meget moden, forbliver følgende problemer i den faktiske produktion: I PVT-væksten af SiC-enkeltkrystaller opstår der let polytypeovergange, hvilket fører til polykrystallinske indeslutninger. Kontrol af en enkelt polytype under SiC-krystalvækst er et komplekst problem. Tager man almindelige 4H-SiC-enkeltkrystaller som et eksempel, påvirkes stabil vækst af en enkelt polytype af mange faktorer, herunder frøkrystalpolaritet, væksttemperatur, væksttryk, damp-fase Si/C-forhold og dopingtype, hvilket betyder, at præcis regulering af SiC-polytypen bliver vanskeligere. Præcis temperaturkontrol i ovnen under PVT-vækst af SiC-enkeltkrystaller er også fortsat en stor udfordring. Derudover er PVT afhængig af gastransport og reaktionsprocesser ved høje temperaturer, hvilket stiller høje krav til gasflow, reaktionskinetik og så videre.
Høj-Temperatur Chemical Vapor Deposition-metode (HTCVD).
Ved høj-temperatur kemisk dampaflejring (HTCVD)-metoden placeres en SiC-frøkrystal i en digel lavet af grafit. Silan og en kulstof-holdig precursorgas som råmaterialer kommer kontinuerligt ind i digelen gennem en bundreaktor. Silanen pyrolyserer derefter direkte ind i Si-klynger, som reagerer med kulbrinter (CxHy) i den kulstof-holdige forstadiegas for at danne en SiC-enkeltkrystal under podekrystallen.
Sammenlignet med PVT bruger HTCVD råmaterialer med højere-renhed og kan nøjagtigt kontrollere råmaterialetilførselshastigheden, C/Si-forholdet og væksttemperaturen under vækst og producerer således SiC-krystaller af højere-kvalitet. Derudover giver direkte pyrolyse af bæregassen HTCVD højere energieffektivitet end andre metoder, og den høje-bæregas hjælper de klynger, der opnås ved pyrolyse, med at nå SiC-frøkrystallen, så HTCVD dyrker SiC-krystaller hurtigere end andre metoder.
HTCVD har fordele såsom høj krystalkvalitet, hurtig væksthastighed og kontinuerlig fodring. Men fordi vækstudstyret og høj-gasser er dyre, har denne metode høje produktionsomkostninger, og dens kommercialiseringsproces er langsom. På samme tid, i HTCVD, vækst af SiC-enkeltkrystaller, fordi SiH4 og C3H8 skal nedbrydes ved høj temperatur og gennemgå forskellige reaktioner, før de endelig vokser krystaller på SiC-frøet, hvis kildegassen nedbrydes for hurtigt, vil gasindtaget blive blokeret; hvis kildegassen nedbrydes for langsomt, vil ureageret gas blive ved gasudgangen og forårsage blokering. Dette gør HTCVD SiC-enkeltkrystalvækstudstyr- relativt ustabilt. Derudover er den nuværende forskning om HTCVD utilstrækkelig, processen er endnu ikke moden, og den er stadig i R&D-stadiet, så HTCVD-vækst af SiC-enkeltkrystaller er ikke udbredt i industrien.
Top-Seeded Solution Growth (TSSG)-metode
I TSSG-metoden (top-seeded solution growth) er siliciumkilden en siliciumsmelte, og kulstofkilden er en grafitdigel med høj-renhed. Under 2000 grader er opløseligheden af kulstof i siliciumsmelte mindre end 1 %, hvilket gør det vanskeligt at nå Si:C=1:1 molforholdet, der kræves til SiC-krystalvækst. Selv ved 2800 grader er kulstofopløseligheden i silicium kun 19%. Derfor skal der i egentlige flydende-fase SiC-krystalvæksteksperimenter tilføjes nogle fluxer for at øge kulstofopløseligheden i-højtemperaturopløsningen. Almindelige fluxer omfatter Cr, Fe, Ti osv. Under krystalvækst opløses kulstof i grafitdigelen gradvist i smelten og transporteres gennem smelten til frøkrystallen, hvilket muliggør en kontinuerlig tilførsel af kulstof. Ved at styre parametre som frø-/digelrotationshastighed, temperaturfelt og strømfrekvens og størrelse, dannes passende temperaturgradienter, trykgradienter og flowfelter i smelten, så kulstof kan transporteres fra digelvæggen til podekrystallen. I den faktiske vækst er frøkrystallen dog ofte opløst, og polykrystallinsk materiale udfældes ved digelvæggen og ved frøkrystallen. Derfor skal vækstparametrene under hele krystalvækstprocessen justeres for at holde hele systemet i en passende dynamisk ligevægt, så der kan opnås kontinuerlig krystalvækst.
TSSG kan fremstille SiC-krystaller under mildere vækstbetingelser. Den har også tekniske egenskaber såsom dynamisk og præcis regulering af procesparametre, kontinuerlig vækst i diameterudvidelsen og ensartet højp-doping. Det er blevet en af de yderst konkurrencedygtige innovative teknologier til lav-pris, høj-kvalitet SiC-substrater. Selvom TSSG har betydelige fordele ved fremstilling af SiC-krystaller, har det også høje tekniske barrierer, hovedsageligt afspejlet i de talrige procesparametre, der skal reguleres; ethvert uhensigtsmæssigt parametervalg kan forstyrre den dynamiske ligevægt under krystalvækst og forårsage alvorlige makroskopiske defekter.