Sem þriðju-kynslóð hálfleiðara hefur kísilkarbíð (SiC) rafmagns- og hitaeiginleika sem eru betri en kísil, sem gerir það að einu af kjörnu efnum til að búa til há-hita-, hátíðni-, há-afl- og há-spennutæki. SiC er efnasamband sem samanstendur af sílikoni og kolefni. Kísilatóm og kolefnisatóm mynda fjórþunga uppbyggingu. SiC kristallar hafa meira en 200 þekktar fjölgerðir, sem myndast með því að skipta um kísilatómlög og kolefnisatómlög á mismunandi hátt. Algengustu eru 3C-SiC (kubísk uppbygging, eða -SiC), 4H-SiC og 6H-SiC (bæði sexhyrnd uppbygging, eða -SiC).
3C-SíC
3C-SiC er einfaldasta SiC fjölgerðin og hefur rúmfasta-pakkaða byggingu. Í þessari byggingu er kísil- og kolefnisatómum raðað á ákveðinn hátt í þrívítt rými og mynda mjög samhverfa kristalbyggingu. Vegna samhverfu sinnar hefur 3C-SiC tiltölulega lélega rafræna og sjónræna eiginleika og er nú tiltölulega lítið notað í hagnýtum forritum.
4H-SiC og 6H-SiC
Ólíkt 3C-SiC, eru 4H-SiC og 6H-SiC með sexhyrndum þéttum-pakkuðum byggingum. Þessar tvær fjölgerðir eru betri en 3C-SiC hvað varðar rafeindahreyfanleika, hitaleiðni og bandbil. 4H-SiC hefur meiri rafeindahreyfanleika, sem gerir það tilvalið fyrir há-tíðni og-afl rafeindatæki. Það er mest notað á sviðum eins og nýjum orkutækjum og 5G fjarskiptum, og núverandi SiC framleiðendur framleiða aðallega 4H-SiC. 6H-SiC hefur stærra bandbil og skilar sér því betur í háum-hita og mikilli-geislun.
Vaxtartækni fyrir SiC staka kristalla
Sem stendur er aðaltæknin sem notuð er fyrir SiC kristalvöxt meðal annars eðlisfræðilega gufuflutninga (PVT), há-hitaefnagufuútfellingu (HTCVD) og vöxtur í topp-lausn (TSSG). Meðal þeirra er PVT sem stendur þroskaðasta og mest notaða SiC-einkristalla vaxtaraðferðin í Kína og erlendis.
Líkamleg gufuflutningsaðferð (PVT).
Líkamleg gufuflutningur (PVT) er almennt notuð aðferð til að vaxa SiC einkristalla í atvinnuskyni. Það var þróað út frá Lely aðferðinni, sem var þróuð af Lely árið 1955 með sublimation ferli. Hins vegar getur Lely aðferðin ekki í raun stjórnað eins-kristallavexti. Árið 1977 voru Tairov og Tsvetkov fyrstir til að nota sáðfræsingu til að rækta SiC einkristalla; þessi aðferð er einnig kölluð „breytt Lely aðferð“ eða PVT aðferð.
Í PVT er frækristall settur efst á grafítdeiglu og há-Hreinleika SiC duft er sett neðst. Utan deiglunnar er hitaeinangrunarlag; innleiðsluhitunarspóla er fyrir utan einangrunarlagið og kælivatn er inni í spólunni. Inni í deiglunni, með því að stjórna hitastigi og hitastigshlutfalli, er SiC duftinu breytt í loftkennt ástand og flutt í frækristallinn þar sem kristalvöxtur verður síðan. Hráefnið fyrir PVT er hár-hreint SiC duft og vaxtarhitinn er 2100 gráður -2500 gráður. Sem stendur nota sumir innlendir SiC framleiðendur þessa aðferð sem almenna framleiðsluaðferð sína. Ókostir þess eru hár vaxtarhiti, mikil orkunotkun og hár kostnaður; vaxnir kristallar hafa marga galla sem hafa áhrif á afköst tækisins og endingartíma.
Þrátt fyrir að PVT SiC vaxtartækni sé nú þegar mjög þroskuð, eru eftirfarandi vandamál enn í raunverulegri framleiðslu: Í PVT vexti SiC einkristalla, eiga sér stað fjölgerðir umbreytingar auðveldlega, sem leiða til fjölkristallaðra innilokunar. Að stjórna einni fjölgerð meðan á SiC kristalvexti stendur er flókið mál. Með því að taka almenna 4H-SiC einkristalla sem dæmi, þá er stöðugur vöxtur einnar fjölgerðar fyrir áhrifum af mörgum þáttum, þar á meðal frækristallapólun, vaxtarhitastig, vaxtarþrýstingur, gufu-fasa Si/C hlutfall og lyfjagerð, sem þýðir að nákvæm stjórnun á SiC fjölgerðinni verður erfiðari. Nákvæm hitastýring í ofninum meðan á PVT vexti SiC einkristalla stendur er einnig mikil áskorun. Að auki byggir PVT á gasflutningi og hvarfferlum við háan hita, sem gerir miklar kröfur til gasflæðis, hvarfhreyfileika og svo framvegis.
Háhita-efnafræðileg gufuútfelling (HTCVD) aðferð
Í há-hitaefnagufuútfellingu (HTCVD) aðferðinni er SiC frækristall settur í deiglu úr grafíti. Sílan og kolefni-sem inniheldur forefnisgas sem hráefni fara stöðugt inn í deigluna í gegnum botnhverfa. Sílanið brennur síðan beint í Si-þyrpingar, sem hvarfast við kolvetni (CxHy) í kolefnis-forveragasinu sem inniheldur forvera til að mynda SiC-einkristall fyrir neðan frækristallinn.
Í samanburði við PVT notar HTCVD hráefni með meiri-hreinleika og getur nákvæmlega stjórnað hráefnisfóðrunarhraða, C/Si hlutfalli og vaxtarhita meðan á vexti stendur, og framleiðir þannig SiC kristalla í hærri-gæðaflokki. Þar að auki gefur bein bruna á burðargasinu HTCVD meiri orkunýtni en aðrar aðferðir og háhraða burðargasið hjálpar þyrpingunum sem fást með pyrolysu að ná til SiC frækristallsins, þannig að HTCVD ræktar SiC kristalla hraðar en aðrar aðferðir.
HTCVD hefur kosti eins og mikil kristalgæði, hraður vaxtarhraði og stöðug fóðrun. Hins vegar, vegna þess að vaxtarbúnaðurinn og há-hreinar lofttegundir eru dýrar, hefur þessi aðferð háan framleiðslukostnað og markaðssetningarferli hennar er hægt. Á sama tíma, í HTCVD, vöxtur SiC einkristalla, vegna þess að SiH4 og C3H8 verða að brotna niður við háan hita og gangast undir ýmis viðbrögð áður en loksins vaxa kristallar á SiC fræinu, ef uppspretta gasið brotnar niður of fljótt, mun gasinntakið verða stíflað; ef upprunagasið brotnar of hægt niður verður óhvarfað gas eftir við gasúttakið og veldur stíflu. Þetta gerir HTCVD SiC einn-kristallavaxtabúnað tiltölulega óstöðugan. Að auki eru núverandi rannsóknir á HTCVD ófullnægjandi, ferlið er ekki enn þroskað og það er enn á R&D stigi, þannig að HTCVD vöxtur SiC einkristalla er ekki mikið notaður í iðnaði.
Topp-Seeded Solution Growth (TSSG) aðferðin
Í efstu-frælausn vaxtaraðferðinni (TSSG) er kísilgjafinn kísilbráð og kolefnisgjafinn er grafítdeigla með mikilli-hreinleika. Undir 2000 gráður er leysni kolefnis í kísilbræðslu minni en 1%, sem gerir það að verkum að erfitt er að ná Si:C=1:1 mólhlutfallinu sem þarf til SiC kristalvaxtar. Jafnvel við 2800 gráður er leysni kolefnis í sílikoni aðeins 19%. Þess vegna, í raunverulegum-vökvafasa SiC kristalvaxtartilraunum, þarf að bæta einhverju flæði við til að auka leysni kolefnis í háhitalausninni. Algeng flæði eru Cr, Fe, Ti o.s.frv. Við kristalvöxt leysist kolefni í grafítdeiglunni smám saman upp í bræðsluna og er flutt í gegnum bræðsluna til frækristallsins, sem gerir stöðugt framboð af kolefni kleift. Með því að stjórna breytum eins og snúningshraða fræs/deiglu, hitasviðs og straumtíðni og stærðargráðu myndast viðeigandi hitastigar, þrýstistigar og flæðisvið í bræðslunni, þannig að hægt sé að flytja kolefni frá deigluveggnum til frækristallsins. Hins vegar, í raunverulegum vexti, er frækristallinn oft uppleystur og fjölkristallað efni fellur út við deigluvegginn og við frækristallinn. Þess vegna, í gegnum kristalvaxtarferlið, verður að stilla vaxtarbreytur til að halda öllu kerfinu í viðeigandi kraftmiklu jafnvægi, svo að hægt sé að ná stöðugum kristalvexti.
TSSG getur búið til SiC kristalla við mildari vaxtarskilyrði. Það hefur einnig tæknilega eiginleika eins og kraftmikla og nákvæma stjórnun á ferlibreytum, stöðugum þvermálsvexti og samræmda lyfjanotkun með háum -gerð. Það er orðið ein af mjög samkeppnishæfu nýjungum fyrir lág-kostnaður, hágæða SiC hvarfefni. Þrátt fyrir að TSSG hafi umtalsverða kosti við að útbúa SiC kristalla, hefur það einnig miklar tæknilegar hindranir, aðallega endurspeglast í fjölmörgum ferlibreytum sem þarf að stjórna; óviðeigandi val á færibreytum getur truflað kraftmikið jafnvægi meðan á kristalvexti stendur og valdið alvarlegum stórsæjum göllum.