Als halfgeleider van de derde- generatie heeft siliciumcarbide (SiC) elektrische en thermische eigenschappen die superieur zijn aan die van silicium, waardoor het een van de ideale materialen is voor het vervaardigen van apparaten met hoge- temperatuur, hoge- frequentie, hoog- vermogen en hoog- hoogspanning. SiC is een verbinding bestaande uit silicium en koolstof. Siliciumatomen en koolstofatomen vormen een tetraëdrische structuur. SiC-kristallen hebben meer dan 200 bekende polytypes, die worden gevormd door het op verschillende manieren afwisselen van siliciumatoomlagen en koolstofatoomlagen. De meest voorkomende zijn 3C-SiC (kubieke structuur, of -SiC), 4H-SiC en 6H-SiC (beide hexagonale structuren, of -SiC).
3C-SiC
3C-SiC is het eenvoudigste SiC-polytype en heeft een kubieke, dicht-gestapelde structuur. In deze structuur zijn silicium- en koolstofatomen op een specifieke manier gerangschikt in een driedimensionale ruimte, waardoor een zeer symmetrische kristalstructuur ontstaat. Vanwege zijn symmetrie heeft 3C-SiC relatief slechte elektronische en optische eigenschappen en wordt het momenteel relatief weinig gebruikt in praktische toepassingen.
4H-SiC en 6H-SiC
In tegenstelling tot 3C-SiC hebben 4H-SiC en 6H-SiC hexagonale, dicht- gepakte structuren. Deze twee polytypen zijn superieur aan 3C-SiC wat betreft elektronenmobiliteit, thermische geleidbaarheid en bandafstand.. 4H-SiC heeft een hogere elektronenmobiliteit, waardoor het ideaal is voor elektronische apparaten met hoge- frequentie en hoog-vermogen. Het wordt het meest gebruikt op gebieden zoals nieuwe energievoertuigen en 5G-communicatie, en de huidige SiC-fabrikanten produceren voornamelijk 4H-SiC. 6H-SiC heeft een grotere bandafstand en presteert daarom beter in omgevingen met hoge- temperaturen en hoge- straling.
Groeitechnologieën voor SiC-enkele kristallen
Momenteel zijn de belangrijkste technologieën die voor de groei van SiC-kristallen worden gebruikt onder meer fysiek damptransport (PVT), chemische dampdepositie bij hoge- temperatuur (HTCVD) en top- top-seeded oplossingsgroei (TSSG). Onder hen is PVT momenteel de meest volwassen en meest gebruikte SiC-groeimethode met één kristal- in China en daarbuiten.
Fysische damptransportmethode (PVT).
Fysisch damptransport (PVT) is een algemeen aanvaarde methode voor de commerciële groei van SiC-eenkristallen. Het is ontwikkeld op basis van de Lely-methode, die in 1955 door Lely werd ontwikkeld via een sublimatieproces. De Lely-methode kan echter de groei van afzonderlijke kristallen- niet effectief beheersen. In 1977 waren Tairov en Tsvetkov de eersten die gezaaide sublimatie gebruikten om SiC-eenkristallen te laten groeien; deze methode wordt ook wel de “gemodificeerde Lely-methode” of PVT-methode genoemd.
Bij PVT wordt een entkristal bovenaan een grafietkroes geplaatst, en wordt hoog{0}}zuiver SiC-poeder onderaan geplaatst. Buiten de smeltkroes bevindt zich een thermische isolatielaag; een inductieverwarmingsspiraal bevindt zich buiten de isolatielaag en koelwater bevindt zich in de spiraal. In de smeltkroes wordt het SiC-poeder, door de temperatuur en de temperatuurgradiënt te regelen, omgezet in een gasvormige toestand en naar het kiemkristal getransporteerd, waar vervolgens kristalgroei plaatsvindt. De grondstof voor PVT is hoog{4}}zuiver SiC-poeder en de groeitemperatuur is 2100 graden –2500 graden. Momenteel gebruiken sommige binnenlandse SiC-fabrikanten deze methode als hun reguliere productiemethode. De nadelen zijn een hoge groeitemperatuur, een hoog energieverbruik en hoge kosten; de gegroeide kristallen hebben veel defecten die de prestaties en levensduur van het apparaat beïnvloeden.
Hoewel de PVT SiC-groeitechnologie al zeer volwassen is, blijven de volgende problemen bestaan bij de daadwerkelijke productie: Bij de PVT-groei van SiC-monokristallen treden gemakkelijk polytype-overgangen op, wat leidt tot polykristallijne insluitsels. Het beheersen van een enkel polytype tijdens de groei van SiC-kristallen is een complexe kwestie. Als we de reguliere 4H-SiC-eenkristallen als voorbeeld nemen, wordt de stabiele groei van een enkel polytype beïnvloed door vele factoren, waaronder de polariteit van de kiemkristallen, de groeitemperatuur, de groeidruk, de Si/C-verhouding in de damp-fase en het dopingtype, wat betekent dat nauwkeurige regulatie van het SiC-polytype moeilijker wordt. Nauwkeurige temperatuurregeling in de oven tijdens PVT-groei van SiC-monokristallen blijft ook een enorme uitdaging. Bovendien is PVT afhankelijk van gastransport- en reactieprocessen bij hoge temperaturen, wat hoge eisen stelt aan de gasstroom, reactiekinetiek, enzovoort.
Hoge--methode voor chemische dampafzetting (HTCVD).
Bij de chemische dampdepositiemethode (HTCVD) op hoge- temperatuur wordt een SiC-entkristal in een smeltkroes van grafiet geplaatst. Silaan en een koolstof{2}}houdend precursorgas komen als grondstoffen continu de smeltkroes binnen via een bodemreactor. Het silaan pyrolyseert vervolgens direct tot Si-clusters, die reageren met koolwaterstoffen (CxHy) in het koolstof{4}}-bevattende precursorgas om een SiC-monokristal onder het kiemkristal te vormen.
Vergeleken met PVT gebruikt HTCVD grondstoffen met een hogere{0}}zuiverheid en kan de toevoersnelheid van de grondstoffen, de C/Si-verhouding en de groeitemperatuur tijdens de groei nauwkeurig regelen, waardoor SiC-kristallen van hogere-kwaliteit worden geproduceerd. Bovendien geeft directe pyrolyse van het draaggas HTCVD een hogere energie-efficiëntie dan andere methoden, en het snelle draaggas helpt de door pyrolyse verkregen clusters het SiC-zaadkristal te bereiken, dus HTCVD laat SiC-kristallen sneller groeien dan andere methoden.
HTCVD heeft voordelen zoals hoge kristalkwaliteit, snelle groeisnelheid en continue voeding. Omdat de groeiapparatuur en de hoog{1}}zuivere gassen echter duur zijn, heeft deze methode hoge productiekosten en verloopt het commercialiseringsproces traag. Tegelijkertijd zal bij de HTCVD-groei van enkele SiC-kristallen, omdat SiH4 en C3H8 bij hoge temperatuur moeten ontleden en verschillende reacties moeten ondergaan voordat uiteindelijk kristallen op het SiC-zaad groeien, de gasinlaat geblokkeerd raken als het brongas te snel ontleedt; als het brongas te langzaam ontleedt, blijft er niet-gereageerd gas bij de gasuitlaat achter en veroorzaakt verstopping. Dit maakt de apparatuur voor de groei van HTCVD SiC-kristallen- relatief onstabiel. Bovendien is het huidige onderzoek naar HTCVD onvoldoende, is het proces nog niet volwassen en bevindt het zich nog in de R&D-fase, dus HTCVD-groei van SiC-eenkristallen wordt niet veel gebruikt in de industrie.
Top-Seeded Solution Growth-methode (TSSG).
Bij de top{0}}gezaaide oplossingsgroei (TSSG)-methode is de siliciumbron een siliciumsmelt en de koolstofbron een hoog-zuivere grafietkroes. Beneden 2000 graden is de oplosbaarheid van koolstof in de siliciumsmelt minder dan 1%, waardoor het moeilijk wordt om de molaire verhouding Si:C=1:1 te bereiken die nodig is voor de groei van SiC-kristallen. Zelfs bij 2800 graden is de oplosbaarheid van koolstof in silicium slechts 19%. Daarom moeten er bij feitelijke experimenten met SiC-kristalgroei in de vloeibare-fase enkele fluxen worden toegevoegd om de oplosbaarheid van koolstof in de oplossing met hoge-temperatuur te vergroten. Veel voorkomende vloeimiddelen zijn Cr, Fe, Ti, enz. Tijdens de kristalgroei lost de koolstof in de grafietkroes geleidelijk op in de smelt en wordt door de smelt naar het entkristal getransporteerd, waardoor een continue toevoer van koolstof mogelijk wordt. Door parameters zoals de rotatiesnelheid van zaad/kroes, temperatuurveld en stroomfrequentie en -grootte te controleren, worden geschikte temperatuurgradiënten, drukgradiënten en stromingsvelden in de smelt gevormd, zodat koolstof van de kroeswand naar het entkristal kan worden getransporteerd. Bij daadwerkelijke groei wordt het kiemkristal echter vaak opgelost en slaat polykristallijn materiaal neer op de kroeswand en op het kiemkristal. Daarom moeten tijdens het hele kristalgroeiproces de groeiparameters worden aangepast om het hele systeem in een geschikt dynamisch evenwicht te houden, zodat continue kristalgroei kan worden bereikt.
TSSG kan SiC-kristallen bereiden onder mildere groeiomstandigheden. Het heeft ook technische kenmerken zoals dynamische en nauwkeurige regeling van procesparameters, continue groei van de diameter en uniforme doping van het hoge p--type. Het is een van de zeer competitieve innovatieve technologieën geworden voor SiC-substraten met lage-kosten en hoge-kwaliteit. Hoewel TSSG aanzienlijke voordelen heeft bij de bereiding van SiC-kristallen, kent het ook hoge technische barrières, die voornamelijk tot uiting komen in de talrijke procesparameters die moeten worden gereguleerd; elke ongepaste parameterkeuze kan het dynamische evenwicht tijdens de kristalgroei verstoren en ernstige macroscopische defecten veroorzaken.