Jako polovodič třetí{0}}generace má karbid křemíku (SiC) elektrické a tepelné vlastnosti lepší než vlastnosti křemíku, což z něj činí jeden z ideálních materiálů pro výrobu vysoko-teplotních, vysoko-frekvenčních, vysoko{3}}výkonových a-zařízení. SiC je sloučenina složená z křemíku a uhlíku. Atomy křemíku a atomy uhlíku tvoří čtyřstěnnou strukturu. Krystaly SiC mají více než 200 známých polytypů, které jsou tvořeny střídáním atomových vrstev křemíku a atomových vrstev uhlíku různými způsoby. Nejběžnější jsou 3C-SiC (kubická struktura nebo -SiC), 4H-SiC a 6H-SiC (obě hexagonální struktury nebo -SiC).
3C-SiC
3C-SiC je nejjednodušší polytyp SiC a má kubickou blízko-složenou strukturu. V této struktuře jsou atomy křemíku a uhlíku uspořádány specifickým způsobem v trojrozměrném prostoru a tvoří vysoce symetrickou krystalovou strukturu. Díky své symetrii má 3C-SiC relativně špatné elektronické a optické vlastnosti a v současnosti se v praktických aplikacích používá poměrně málo.
4H-SiC a 6H-SiC
Na rozdíl od 3C-SiC mají 4H-SiC a 6H-SiC šestiúhelníkové těsné-struktury. Tyto dva polytypy jsou lepší než 3C-SiC v mobilitě elektronů, tepelné vodivosti a bandgapu. 4H-SiC má vyšší mobilitu elektronů, takže je ideálnější pro vysoko-frekvence a{13}}elektronická zařízení. Nejčastěji se používá v oblastech, jako jsou nová energetická vozidla a komunikace 5G, a současní výrobci SiC vyrábějí hlavně 4H-SiC. 6H-SiC má větší pásmovou mezeru, a proto funguje lépe v prostředí s vysokou-teplotou a-radiací.
Technologie růstu pro monokrystaly SiC
V současné době mezi hlavní technologie používané pro růst krystalů SiC patří fyzikální transport páry (PVT), vysokoteplotní{0}}chemická depozice z par (HTCVD) a růst-topného roztoku (TSSG). Mezi nimi je PVT v současnosti nejvyspělejší a nejrozšířenější metodou růstu monokrystalů SiC v Číně i v zahraničí.
Metoda fyzikálního transportu par (PVT).
Fyzikální transport par (PVT) je široce používaná metoda pro komerční růst monokrystalů SiC. Byl vyvinut z metody Lely, která byla vyvinuta společností Lely v roce 1955 procesem sublimace. Metoda Lely však nemůže účinně řídit růst jednotlivých-krystalů. V roce 1977 Tairov a Tsvetkov jako první použili sublimaci nasazenou k růstu monokrystalů SiC; tato metoda se také nazývá „modifikovaná metoda Lely“ nebo metoda PVT.
U PVT se zárodečný krystal umístí na vršek grafitového kelímku a na dno se umístí prášek SiC o vysoké{0}}čistotě. Vně kelímku je tepelně izolační vrstva; indukční topná spirála je vně izolační vrstvy a chladicí voda je uvnitř spirály. Uvnitř kelímku je pomocí řízení teploty a teplotního gradientu SiC prášek převeden do plynného stavu a transportován do zárodečného krystalu, kde pak dochází k růstu krystalů. Surovinou pro PVT je vysoce-čistý prášek SiC a teplota růstu je 2100 až 2500 stupňů. V současné době někteří domácí výrobci SiC používají tuto metodu jako svou hlavní výrobní metodu. Jeho nevýhodou je vysoká teplota růstu, vysoká spotřeba energie a vysoké náklady; vyrostlé krystaly mají mnoho vad, které ovlivňují výkon zařízení a životnost.
Přestože technologie růstu PVT SiC je již velmi vyspělá, ve skutečné výrobě přetrvávají následující problémy: Při růstu PVT monokrystalů SiC snadno dochází k polytypovým přechodům, které vedou k polykrystalickým inkluzím. Řízení jednoho polytypu během růstu krystalů SiC je komplexní problém. Vezmeme-li jako příklad hlavní proud monokrystalů 4H-SiC, stabilní růst jednoho polytypu je ovlivněn mnoha faktory, včetně polarity zárodečných krystalů, teploty růstu, růstového tlaku, poměru par-fáze Si/C a typu dopingu, což znamená, že přesná regulace polytypu SiC je obtížnější. Obrovskou výzvou také zůstává přesné řízení teploty v peci během PVT růstu monokrystalů SiC. Kromě toho PVT spoléhá na transport plynu a reakční procesy při vysokých teplotách, což klade vysoké nároky na proudění plynu, reakční kinetiku a tak dále.
Metoda vysoko{0}}chemické depozice z plynné fáze (HTCVD).
Při metodě vysokoteplotní chemické depozice z plynné fáze (HTCVD) se zárodečný krystal SiC umístí do kelímku vyrobeného z grafitu. Silan a uhlík-obsahující prekurzorový plyn jako suroviny nepřetržitě vstupují do kelímku přes spodní reaktor. Silan se poté přímo pyrolyzuje na Si klastry, které reagují s uhlovodíky (CxHy) v uhlíkovém-prekurzorovém plynu za vzniku SiC monokrystalu pod zárodečným krystalem.
Ve srovnání s PVT používá HTCVD suroviny s vyšší{0}}čistotou a může přesně řídit rychlost podávání suroviny, poměr C/Si a teplotu růstu během růstu, čímž produkuje krystaly SiC vyšší-kvalitnosti. Navíc přímá pyrolýza nosného plynu poskytuje HTCVD vyšší energetickou účinnost než jiné metody a vysokorychlostní nosný plyn pomáhá klastrům získaným pyrolýzou dosáhnout zárodečného krystalu SiC, takže HTCVD roste krystaly SiC rychleji než jiné metody.
HTCVD má výhody, jako je vysoká kvalita krystalů, rychlá rychlost růstu a nepřetržité podávání. Protože jsou však pěstební zařízení a vysoce čisté plyny{1}} drahé, má tato metoda vysoké výrobní náklady a proces komercializace je pomalý. Současně při HTCVD růstu monokrystalů SiC, protože SiH4 a C3H8 se musí rozkládat při vysoké teplotě a podstoupit různé reakce, než konečně vyrostou krystaly na zárodku SiC, pokud se zdrojový plyn rozloží příliš rychle, dojde k ucpání vstupu plynu; pokud se zdrojový plyn rozkládá příliš pomalu, nezreagovaný plyn zůstane na výstupu plynu a způsobí ucpání. Díky tomu je zařízení pro růst single{7}}krystalů HTCVD SiC relativně nestabilní. Současný výzkum HTCVD je navíc nedostatečný, proces ještě není zralý a je stále ve fázi výzkumu a vývoje, takže růst monokrystalů SiC pomocí HTCVD není v průmyslu příliš využíván.
Nejlepší{0}}metoda růstu nasazeného řešení (TSSG).
V metodě růstu -zárodečného roztoku (TSSG) je zdrojem křemíku tavenina křemíku a zdrojem uhlíku je -grafitový kelímek vysoké čistoty. Pod 2000 stupňů je rozpustnost uhlíku v křemíkové tavenině menší než 1 %, což ztěžuje dosažení molárního poměru Si:C=1:1 potřebného pro růst krystalů SiC. Dokonce i při 2800 stupních je rozpustnost uhlíku v křemíku pouze 19%. Proto je ve skutečných experimentech s růstem krystalů SiC v kapalné fázi{11}}třeba přidat určitá tavidla, aby se zvýšila rozpustnost uhlíku ve vysokoteplotním roztoku. Mezi běžná tavidla patří Cr, Fe, Ti atd. Během růstu krystalů se uhlík v grafitovém kelímku postupně rozpouští do taveniny a taveninou je transportován k očkovacímu krystalu, což umožňuje nepřetržitý přísun uhlíku. Řízením parametrů, jako je rychlost rotace zrnka/kelímku, teplotní pole a frekvence a velikost proudu, se v tavenině vytvářejí vhodné teplotní gradienty, tlakové gradienty a toková pole, takže uhlík může být transportován ze stěny kelímku k očkovacímu krystalu. Při skutečném růstu se však zárodečný krystal často rozpustí a polykrystalický materiál se vysráží na stěně kelímku a na zárodečném krystalu. Proto v průběhu procesu růstu krystalů musí být parametry růstu nastaveny tak, aby se celý systém udržoval ve vhodné dynamické rovnováze, aby bylo možné dosáhnout kontinuálního růstu krystalů.
TSSG dokáže připravit krystaly SiC za mírnějších podmínek růstu. Má také technické vlastnosti, jako je dynamická a přesná regulace procesních parametrů, kontinuální růst expanze průměru a rovnoměrný vysoký p{1}}typ dopingu. Stal se jednou z vysoce konkurenčních inovativních technologií pro nízko-náklady a vysoce{4}}kvalitní SiC substráty. Ačkoli TSSG má významné výhody při přípravě krystalů SiC, má také vysoké technické bariéry, které se odrážejí především v mnoha parametrech procesu, které je třeba regulovat; jakákoli nevhodná volba parametru může narušit dynamickou rovnováhu během růstu krystalu a způsobit vážné makroskopické defekty.