Silicio karbidas (SiC), kaip trečios kartos SiC yra junginys, sudarytas iš silicio ir anglies. Silicio atomai ir anglies atomai sudaro tetraedrinę struktūrą. SiC kristalai turi daugiau nei 200 žinomų politipų, kurie susidaro įvairiais būdais kaitaliojant silicio atominius sluoksnius ir anglies atomo sluoksnius. Labiausiai paplitę yra 3C-SiC (kubinė struktūra arba -SiC), 4H-SiC ir 6H-SiC (abi šešiakampės struktūros arba -SiC).
3C-SiC
3C-SiC yra paprasčiausias SiC politipas ir turi kubinę sandarią-supakuotą struktūrą. Šioje struktūroje silicio ir anglies atomai yra tam tikru būdu išsidėstę trimatėje erdvėje, sudarydami labai simetrišką kristalų struktūrą. Dėl savo simetrijos 3C-SiC turi santykinai prastas elektronines ir optines savybes ir šiuo metu praktiškai naudojamas palyginti mažai.
4H-SiC ir 6H-SiC
Skirtingai nuo 3C-SiC, 4H-SiC ir 6H-SiC turi šešiakampes artimas-supakuotas struktūras. Šie du politipai yra pranašesni už 3C-SiC elektronų mobilumu, šilumos laidumu ir dažnių juostos tarpsniu. 4H-SiC turi didesnį elektronų judrumą, todėl jis labiau tinka aukšto{12}}dažnio ir didelės{13}}galios elektroniniams įrenginiams. Jis plačiausiai naudojamas tokiose srityse, kaip naujos energijos transporto priemonės ir 5G ryšiai, o dabartiniai SiC gamintojai daugiausia gamina 4H-SiC. 6H-SiC, turi didesnį pralaidumą, todėl geriau veikia aukštos{20}}temperatūros ir didelės{21}spinduliacijos aplinkoje.
SiC pavienių kristalų augimo technologijos
Šiuo metu pagrindinės SiC kristalų auginimo technologijos apima fizinį garų transportavimą (PVT), aukštos temperatūros cheminį nusodinimą iš garų (HTCVD) ir augimą su viršutiniu{1} tirpalu (TSSG). Tarp jų, PVT šiuo metu yra labiausiai subrendęs ir plačiausiai naudojamas SiC pavienio{3}kristalo augimo metodas Kinijoje ir užsienyje.
Fizinio garų transportavimo (PVT) metodas
Fizinis garų transportavimas (PVT) yra plačiai naudojamas komercinio SiC monokristalų auginimo metodas. Jis buvo sukurtas naudojant Lely metodą, kurį Lely sukūrė 1955 m. sublimacijos būdu. Tačiau „Lely“ metodas negali veiksmingai kontroliuoti vieno-kristalo augimo. 1977 m. Tairovas ir Cvetkovas pirmieji panaudojo sėklinę sublimaciją SiC monokristalams auginti; šis metodas dar vadinamas „modifikuotu Lely metodu“ arba PVT metodu.
Naudojant PVT, grafito tiglio viršuje dedamas sėklinis kristalas, o apačioje – didelio -grynumo SiC milteliai. Už tiglio yra termoizoliacinis sluoksnis; indukcinė šildymo gyvatė yra izoliacijos sluoksnio išorėje, o aušinimo vanduo yra gyvatuko viduje. Tiglio viduje, kontroliuojant temperatūrą ir temperatūros gradientą, SiC milteliai paverčiami dujine būsena ir transportuojami į sėklų kristalą, kur vyksta kristalų augimas. PVT žaliava yra didelio-grynumo SiC milteliai, o augimo temperatūra yra 2100–2500 laipsnių. Šiuo metu kai kurie vietiniai SiC gamintojai naudoja šį metodą kaip pagrindinį gamybos metodą. Jo trūkumai yra aukšta augimo temperatūra, didelis energijos suvartojimas ir didelė kaina; išaugę kristalai turi daug defektų, kurie turi įtakos įrenginio veikimui ir tarnavimo laikui.
Nors PVT SiC auginimo technologija jau labai subrendusi, faktinėje gamyboje išlieka šios problemos: PVT augant SiC monokristalams, lengvai įvyksta politipų perėjimai, dėl kurių susidaro polikristaliniai intarpai. Vieno politipo valdymas SiC kristalų augimo metu yra sudėtingas klausimas. Kaip pavyzdį imant įprastus 4H-SiC monokristalius, stabilų vieno politipo augimą veikia daugybė veiksnių, įskaitant pradinio kristalo poliškumą, augimo temperatūrą, augimo slėgį, garų -fazės Si/C santykį ir dopingo tipą, o tai reiškia, kad tiksliai reguliuoti SiC politipą tampa sunkiau. Tiksli temperatūros kontrolė krosnyje, kai PVT auga SiC monokristalams, taip pat išlieka didžiuliu iššūkiu. Be to, PVT remiasi dujų transportavimo ir reakcijos procesais aukštoje temperatūroje, o tai kelia didelius reikalavimus dujų srautui, reakcijos kinetikai ir pan.
Aukštos{0}}temperatūros cheminio nusodinimo garais (HTCVD) metodas
Taikant aukštos -temperatūrinio cheminio nusodinimo garais (HTCVD) metodą, SiC sėklinis kristalas įdedamas į tiglį, pagamintą iš grafito. Silanas ir anglies -turinčios pirmtakų dujos kaip žaliavos nuolat patenka į tiglį per dugno reaktorių. Tada silanas tiesiogiai pirolizuojasi į Si grupes, kurios reaguoja su angliavandeniliais (CxHy) anglies - turinčiose pirmtakų dujose, sudarydamos vieną SiC kristalą po sėkliniu kristalu.
Palyginti su PVT, HTCVD naudoja aukštesnio-grynumo žaliavas ir gali tiksliai kontroliuoti žaliavos padavimo greitį, C/Si santykį ir augimo temperatūrą augimo metu, todėl gamina aukštesnės-kokybės SiC kristalus. Be to, tiesioginė nešančiųjų dujų pirolizė suteikia HTCVD didesnį energijos vartojimo efektyvumą nei kiti metodai, o didelio greičio -nešančiosios dujos padeda pirolizės būdu gautoms grupėms pasiekti SiC sėklų kristalą, todėl HTCVD SiC kristalus išaugina greičiau nei kitais metodais.
HTCVD turi privalumų, tokių kaip aukšta kristalų kokybė, greitas augimo greitis ir nuolatinis maitinimas. Tačiau auginimo įranga ir didelio{1}}grynumo dujos yra brangios, todėl šis metodas turi dideles gamybos sąnaudas, o komercializavimo procesas yra lėtas. Tuo pačiu metu, HTCVD augant SiC pavieniams kristalams, kadangi SiH4 ir C3H8 turi suirti aukštoje temperatūroje ir patirti įvairias reakcijas, kol galiausiai ant SiC sėklos išauga kristalai, jei šaltinio dujos per greitai suyra, užsikimš dujų įvadas; jei šaltinio dujos skyla per lėtai, nesureagavusios dujos liks dujų išleidimo angoje ir užsikimš. Dėl to HTCVD SiC vieno kristalo{7}auginimo įranga yra gana nestabili. Be to, dabartinių HTCVD tyrimų nepakanka, procesas dar nesubrendęs ir tebėra MTTP stadijoje, todėl SiC monokristalų HTCVD augimas pramonėje nėra plačiai naudojamas.
Populiariausias-Sėklinio tirpalo augimo (TSSG) metodas
Taikant viršutinio-sėklinio tirpalo auginimo (TSSG) metodą, silicio šaltinis yra silicio lydalas, o anglies šaltinis – didelio-grynumo grafito tiglis. Žemesnėje nei 2000 laipsnių temperatūroje anglies tirpumas silicio lydaloje yra mažesnis nei 1%, todėl sunku pasiekti SiC=1:1 molinį santykį, reikalingą SiC kristalų augimui. Net 2800 laipsnių temperatūroje anglies tirpumas silicyje yra tik 19%. Todėl atliekant tikrosios skystosios fazės SiC kristalų augimo eksperimentus, reikia pridėti šiek tiek srautų, kad padidėtų anglies tirpumas aukštos temperatūros tirpale. Įprasti srautai apima Cr, Fe, Ti ir tt Kristalams augant, grafito tiglyje esanti anglis palaipsniui ištirpsta į lydalą ir per lydalą transportuojama į pradinį kristalą, taip užtikrinant nuolatinį anglies tiekimą. Kontroliuojant tokius parametrus kaip sėklos / tiglio sukimosi greitis, temperatūros laukas ir srovės dažnis bei dydis, lydaloje susidaro atitinkami temperatūros gradientai, slėgio gradientai ir srauto laukai, todėl anglis gali būti transportuojama iš tiglio sienelės į sėklos kristalą. Tačiau faktinio augimo metu sėklų kristalas dažnai ištirpsta, o polikristalinė medžiaga nusėda ties tiglio sienele ir sėklos kristalu. Todėl per visą kristalų augimo procesą augimo parametrai turi būti koreguojami, kad visa sistema būtų tinkamoje dinaminėje pusiausvyroje, kad būtų galima pasiekti nuolatinį kristalų augimą.
TSSG gali paruošti SiC kristalus švelnesnėmis augimo sąlygomis. Jis taip pat turi technines savybes, tokias kaip dinaminis ir tikslus proceso parametrų reguliavimas, nuolatinis skersmens plėtimosi augimas ir vienodas didelio p-tipo legiravimas. Tai tapo viena iš itin konkurencingų naujoviškų technologijų, skirtų pigiems, aukštos-siC substratams. Nors TSSG turi didelių pranašumų ruošiant SiC kristalus, jis taip pat turi didelių techninių kliūčių, kurios daugiausia atsispindi daugelyje proceso parametrų, kuriuos reikia reguliuoti; bet koks netinkamas parametro pasirinkimas gali sutrikdyti dinaminę pusiausvyrą kristalų augimo metu ir sukelti didelių makroskopinių defektų.