Sebagai semikonduktor-generasi ketiga, silikon karbida (SiC) mempunyai sifat elektrik dan terma yang lebih baik daripada silikon, menjadikannya salah satu bahan yang ideal untuk menghasilkan peranti bersuhu-tinggi, frekuensi-tinggi, kuasa-tinggi dan-tinggi. SiC ialah sebatian yang terdiri daripada silikon dan karbon. Atom silikon dan atom karbon membentuk struktur tetrahedral. Kristal SiC mempunyai lebih daripada 200 politip yang diketahui, yang terbentuk dengan bergantian lapisan atom silikon dan lapisan atom karbon dengan cara yang berbeza. Yang paling biasa ialah 3C-SiC (struktur padu atau -SiC), 4H-SiC dan 6H-SiC (kedua-dua struktur heksagon atau -SiC).
3C-SiC
3C-SiC ialah politaip SiC yang paling ringkas dan mempunyai struktur pek rapat-kubik. Dalam struktur ini, atom silikon dan karbon disusun mengikut cara tertentu dalam ruang tiga-dimensi, membentuk struktur kristal yang sangat simetri. Disebabkan simetrinya, 3C-SiC mempunyai sifat elektronik dan optik yang agak lemah dan pada masa ini digunakan agak sedikit dalam aplikasi praktikal.
4H-SiC dan 6H-SiC
Tidak seperti 3C-SiC, 4H-SiC dan 6H-SiC mempunyai struktur pek rapat-heksagon. Kedua-dua politaip ini lebih unggul daripada 3C-SiC dalam mobiliti elektron, kekonduksian terma dan celah jalur. 4H-SiC mempunyai mobiliti elektron yang lebih tinggi, menjadikannya lebih sesuai untuk peranti elektronik-berfrekuensi tinggi dan{13}}tinggi. Ia digunakan secara meluas dalam bidang seperti kenderaan tenaga baharu dan komunikasi 5G, dan pengeluar SiC semasa kebanyakannya menghasilkan 4H-SiC. 6H-SiC mempunyai jurang jalur yang lebih besar dan oleh itu berprestasi lebih baik dalam-suhu tinggi dan{21}}persekitaran radiasi tinggi.
Teknologi Pertumbuhan untuk Kristal Tunggal SiC
Pada masa ini, teknologi utama yang digunakan untuk pertumbuhan kristal SiC termasuk pengangkutan wap fizikal (PVT),-pemendapan wap kimia suhu tinggi (HTCVD) dan-pertumbuhan larutan benih atas (TSSG). Antaranya, PVT ialah kaedah pertumbuhan kristal tunggal-SiC yang paling matang dan paling banyak digunakan di China dan luar negara.
Kaedah Pengangkutan Wap Fizikal (PVT).
Pengangkutan wap fizikal (PVT) ialah kaedah yang digunakan secara meluas untuk pertumbuhan komersil kristal tunggal SiC. Ia dibangunkan daripada kaedah Lely, yang dibangunkan oleh Lely pada tahun 1955 melalui proses sublimasi. Walau bagaimanapun, kaedah Lely tidak dapat mengawal-pertumbuhan kristal tunggal dengan berkesan. Pada tahun 1977, Tairov dan Tsvetkov adalah yang pertama menggunakan sublimasi berbiji untuk mengembangkan kristal tunggal SiC; kaedah ini juga dipanggil "kaedah Lely yang diubahsuai" atau kaedah PVT.
Dalam PVT, hablur benih diletakkan di bahagian atas bekas grafit dan serbuk SiC ketulenan tinggi-diletak di bahagian bawah. Di luar pijar adalah lapisan penebat haba; gegelung pemanasan aruhan berada di luar lapisan penebat, dan air penyejuk berada di dalam gegelung. Di dalam pijar, dengan mengawal suhu dan kecerunan suhu, serbuk SiC ditukar menjadi keadaan gas dan diangkut ke kristal benih, di mana pertumbuhan kristal kemudian berlaku. Bahan mentah untuk PVT ialah serbuk SiC-ketulenan tinggi, dan suhu pertumbuhan ialah 2100 darjah –2500 darjah . Pada masa ini, beberapa pengeluar SiC domestik menggunakan kaedah ini sebagai kaedah pengeluaran arus perdana mereka. Kelemahannya ialah suhu pertumbuhan yang tinggi, penggunaan kuasa yang tinggi, dan kos yang tinggi; kristal yang tumbuh mempunyai banyak kecacatan, yang menjejaskan prestasi peranti dan hayat perkhidmatan.
Walaupun teknologi pertumbuhan PVT SiC sudah sangat matang, masalah berikut kekal dalam pengeluaran sebenar: Dalam pertumbuhan PVT kristal tunggal SiC, peralihan politaip mudah berlaku, yang membawa kepada kemasukan polihablur. Mengawal polytype tunggal semasa pertumbuhan kristal SiC adalah isu yang kompleks. Mengambil kristal tunggal 4H-SiC sebagai contoh, pertumbuhan stabil politaip tunggal dipengaruhi oleh banyak faktor, termasuk kekutuban hablur benih, suhu pertumbuhan, tekanan pertumbuhan, nisbah Si/C wap-dan jenis doping, yang bermaksud pengawalseliaan jitu politaip SiC menjadi lebih sukar. Kawalan suhu yang tepat dalam relau semasa pertumbuhan PVT bagi kristal tunggal SiC juga kekal sebagai cabaran besar. Di samping itu, PVT bergantung pada pengangkutan gas dan proses tindak balas pada suhu tinggi, yang meletakkan permintaan tinggi pada aliran gas, kinetik tindak balas, dan sebagainya.
Kaedah Pemendapan Wap Kimia Suhu Tinggi (HTCVD)-Tinggi
Dalam kaedah-pemendapan wap kimia suhu tinggi (HTCVD), hablur benih SiC diletakkan dalam mangkuk pijar yang diperbuat daripada grafit. Silana dan karbon-yang mengandungi gas prekursor sebagai bahan mentah secara berterusan memasuki mangkuk pijar melalui reaktor bawah. Silan kemudiannya secara terus terpirolisis menjadi gugusan Si, yang bertindak balas dengan hidrokarbon (CxHy) dalam karbon-yang mengandungi gas prekursor untuk membentuk hablur tunggal SiC di bawah hablur benih.
Berbanding dengan PVT, HTCVD menggunakan-bahan mentah ketulenan yang lebih tinggi dan boleh mengawal kadar suapan bahan mentah, nisbah C/Si dan suhu pertumbuhan dengan tepat semasa pertumbuhan, sekali gus menghasilkan-hablur SiC berkualiti tinggi. Selain itu, pirolisis langsung gas pembawa memberikan HTCVD kecekapan tenaga yang lebih tinggi daripada kaedah lain, dan gas pembawa-kelajuan tinggi membantu gugusan yang diperoleh melalui pirolisis mencapai kristal benih SiC, jadi HTCVD mengembangkan kristal SiC lebih cepat daripada kaedah lain.
HTCVD mempunyai kelebihan seperti kualiti kristal yang tinggi, kadar pertumbuhan yang cepat dan penyusuan berterusan. Walau bagaimanapun, kerana peralatan pertumbuhan dan-gas ketulenan tinggi adalah mahal, kaedah ini mempunyai kos pengeluaran yang tinggi dan proses pengkomersilannya adalah perlahan. Pada masa yang sama, dalam pertumbuhan HTCVD kristal tunggal SiC, kerana SiH4 dan C3H8 mesti terurai pada suhu tinggi dan menjalani pelbagai tindak balas sebelum akhirnya tumbuh kristal pada benih SiC, jika gas sumber terurai terlalu cepat, salur masuk gas akan menjadi tersumbat; jika gas punca terurai terlalu perlahan, gas yang tidak bertindak balas akan kekal di saluran keluar gas dan menyebabkan tersumbat. Ini menjadikan HTCVD SiC tunggal-peralatan pertumbuhan kristal agak tidak stabil. Di samping itu, penyelidikan semasa mengenai HTCVD tidak mencukupi, prosesnya belum matang, dan ia masih dalam peringkat R&D, jadi pertumbuhan HTCVD bagi kristal tunggal SiC tidak digunakan secara meluas dalam industri.
Kaedah-Pertumbuhan Penyelesaian Berbiji Teratas (TSSG).
Dalam kaedah-pertumbuhan larutan benih (TSSG) teratas, sumber silikon ialah cair silikon dan sumber karbon ialah mangkuk grafit-ketulenan tinggi. Di bawah 2000 darjah, keterlarutan karbon dalam leburan silikon adalah kurang daripada 1%, menjadikannya sukar untuk mencapai nisbah molar Si:C=1:1 yang diperlukan untuk pertumbuhan kristal SiC. Walaupun pada 2800 darjah, keterlarutan karbon dalam silikon hanya 19%. Oleh itu, dalam eksperimen pertumbuhan kristal SiC fasa cecair sebenar, beberapa fluks perlu ditambah untuk meningkatkan keterlarutan karbon dalam larutan{12}}suhu tinggi. Fluks biasa termasuk Cr, Fe, Ti, dsb. Semasa pertumbuhan kristal, karbon dalam mangkuk grafit secara beransur-ansur larut ke dalam leburan dan diangkut melalui leburan ke hablur benih, membolehkan bekalan karbon berterusan. Dengan mengawal parameter seperti kelajuan putaran biji/bekas, medan suhu, dan frekuensi dan magnitud semasa, kecerunan suhu yang sesuai, kecerunan tekanan, dan medan aliran terbentuk dalam leburan, supaya karbon boleh diangkut dari dinding mangkuk pijar ke kristal benih. Walau bagaimanapun, dalam pertumbuhan sebenar, kristal benih sering dibubarkan, dan bahan polihabluran memendakan di dinding pijar dan pada kristal benih. Oleh itu, sepanjang proses pertumbuhan kristal, parameter pertumbuhan mesti diselaraskan untuk memastikan keseluruhan sistem berada dalam keseimbangan dinamik yang sesuai, supaya pertumbuhan kristal berterusan dapat dicapai.
TSSG boleh menyediakan kristal SiC di bawah keadaan pertumbuhan yang lebih ringan. Ia juga mempunyai ciri teknikal seperti pengawalan parameter proses yang dinamik dan tepat, pertumbuhan pengembangan diameter berterusan dan doping jenis p-tinggi yang seragam. Ia telah menjadi salah satu teknologi inovatif yang sangat kompetitif untuk substrat SiC-berkos rendah,-tinggi. Walaupun TSSG mempunyai kelebihan yang ketara dalam menyediakan kristal SiC, ia juga mempunyai halangan teknikal yang tinggi, terutamanya ditunjukkan dalam pelbagai parameter proses yang perlu dikawal selia; sebarang pilihan parameter yang tidak sesuai boleh mengganggu keseimbangan dinamik semasa pertumbuhan kristal dan menyebabkan kecacatan makroskopik yang teruk.