1. Pengenalan kepada Silicon Carbide
Bahan semikonduktor telah menjadi titik fokus persaingan-teknologi tinggi global dan-saingan kuasa utama. Antaranya,-bahan semikonduktor celah jalur lebar, yang diwakili oleh silikon karbida (SiC), telah digunakan dalam-aplikasi berskala besar dalam bidang utama seperti komunikasi mudah alih-generasi seterusnya, grid pintar,-pengangkutan rel berkelajuan tinggi, kenderaan tenaga baharu dan elektronik pengguna. Silikon karbida mempunyai jurang jalur lebar, medan elektrik pecahan tinggi, kekonduksian terma yang tinggi, halaju tepu elektron yang tinggi dan rintangan sinaran yang kuat. Ia boleh menembusi had prestasi peranti semikonduktor berasaskan silikon-dan dianggap sebagai "CPU" peranti frekuensi elektronik kuasa dan radio gelombang mikro-, serta "cip teras" ekonomi hijau [1].
Struktur Kristal Silikon Karbida
Silikon karbida ialah sebatian IV-IV dengan sifat fizikal dan kimia yang unik. Atom Si dan C membentuk ikatan kovalen dengan berkongsi pasangan elektron dalam orbital hibrid sp³, menghasilkan struktur ikatan tetrahedral untuk membentuk kristal SiC. Silikon karbida mempunyai lebih daripada 200 politaip, yang dibina dengan menyusun dwilapisan Si-C dalam jujukan berbeza. Politaip yang diketahui termasuk 2H-SiC, 3C-SiC, 4H-SiC, 6H-SiC, 15R-SiC, dsb. Penamaan politaip adalah berdasarkan bilangan Si-C dwilapisan bagi setiap unit sel H, (C untuk sistem hablur kubik H, C untuk sel hablur kugonal rombohedral). Politaip SiC yang berbeza mempunyai sifat elektronik, optik dan mekanikal yang berbeza, dengan itu menawarkan kelebihan yang berbeza dalam pelbagai aplikasi [2-4].
3C-SiC: 3C-SiC ialah politaip paling ringkas, dengan struktur padat-kubik rapat. Atom Si dan C disusun dalam corak tiga-dimensi tertentu, membentuk hablur yang sangat simetri. Disebabkan simetrinya, 3C-SiC mempunyai sifat elektronik dan optik yang agak lemah, jadi ia mempunyai aplikasi praktikal yang terhad.
4H-SiC dan 6H-SiC: Tidak seperti 3C-SiC, 4H-SiC dan 6H-SiC mempunyai struktur padat-heksagon. Kedua-dua politaip adalah lebih baik daripada 3C-SiC dalam mobiliti elektron, kekonduksian terma dan celah jalur. 4H-SiC mempunyai mobiliti elektron yang lebih tinggi, menjadikannya lebih sesuai untuk-frekuensi tinggi dan-peranti elektronik berkuasa tinggi dan digunakan secara meluas dalam kenderaan tenaga baharu, 5G{15}}}}} H{{15G{15}}}}}} H{10} menjadikannya berprestasi lebih baik dalam-suhu tinggi dan{18}}persekitaran sinaran tinggi [4].
Gambaran Keseluruhan Pembangunan Domestik dan Antarabangsa Silicon Carbide
Pada 1990-an, syarikat luar negara seperti Cree dan Westinghouse telah pun menerajui pembangunan dan pengeluaran substrat SiC 2–4 inci. Memasuki abad ke-21, dengan lelaran teknologi berterusan, wafer SiC 6-inci secara beransur-ansur menjadi arus perdana dalam pasaran. Didorong oleh pertumbuhan pesat kenderaan elektrik dan industri tenaga baharu, permintaan global untuk bahan SiC terus meningkat. Perusahaan dan institusi penyelidikan dalam dan luar negara telah meningkatkan pelaburan R&D dalam-saiz besar,{11}}wafer SiC berkualiti tinggi. Pada masa ini, pengeluar antarabangsa seperti Wolfspeed, II-VI dan Rohm telah mencapai pengeluaran besar-besaran substrat SiC 8 inci. Di bawah dorongan "Rancangan Lima Tahun Ke-14" China, pengeluaran substrat SiC domestik 8 inci juga telah memasuki peringkat perindustrian, dengan syarikat seperti TankeBlue, SICC, dan Jingsheng Mechanical & Electrical secara berturut-turut mengumumkan bekalan batch substrat SiC 8 inci [5].
Pada masa ini, SiC 6-inci kekal sebagai arus perdana komersial global, manakala produk 8-inci semakin pantas ke arah perindustrian. Kejayaan tertumpu dalam medan SiC 12-inci menandakan titik perubahan kritikal bagi industri semikonduktor generasi ketiga. Syarikat domestik termasuk SICC, Jingsheng Mechanical & Electrical, Jingyue Semiconductor, Tiancheng Semiconductor, Keyou Semiconductor, Hoshine Silicon, Nansha Jingyuan, GlobalWafers, Shuoke Crystal, serta Wolfspeed yang berpangkalan di AS, semuanya telah mencapai kemajuan besar dalam pembangunan kristal tunggal dan substrat SiC 12 inci.
2. Kaedah Penyediaan Kristal Tunggal Silikon Karbida
Pada masa ini, tiga kaedah utama yang mampu menghasilkan kristal tunggal SiC{0}}berkualiti tinggi ialah kaedah Pengangkutan Wap Fizikal (PVT), kaedah-Penendapan Wap Kimia Suhu Tinggi (HTCVD) dan kaedah-Pertumbuhan Penyelesaian Berbiji Teratas (TSSG).
Kaedah Pengangkutan Wap Fizikal (PVT).
Pada tahun 1955, Lely pertama kali menggunakan kaedah pemejalwapan untuk mengembangkan kristal tunggal SiC. Walau bagaimanapun, kaedah ini mempunyai banyak kelemahan yang wujud: suhu pertumbuhan yang sangat tinggi, kesukaran dalam mengawal nukleasi dengan tepat, kecekapan pertumbuhan yang rendah, penyebaran luas parameter elektrik dalam kristal yang terhasil, dan saiz kristal umumnya kecil. Akibatnya, kualiti kristal SiC yang dihasilkan oleh kaedah Lely adalah lemah, manakala kos kekal tinggi. Cabaran teknikal ini tidak dapat diatasi sehingga 1978, apabila Tairov dan rakan sekerja memperkenalkan kristal benih ke dalam proses pertumbuhan berdasarkan kaedah Lely tradisional, membolehkan kawalan berkesan ke atas nukleasi dan mengurangkan suhu pertumbuhan. Kaedah ini dikenali sebagai kaedah Lely yang diubah suai, iaitu kaedah Pengangkutan Wap Fizikal [6-9].
Kaedah PVT menampilkan teknologi matang dan kebolehkawalan yang kuat, dan pada masa ini kaedah utama untuk menghasilkan-kualiti tinggi,{1}}siC bersaiz besar. Dalam kaedah ini, serbuk SiC diletakkan di bahagian bawah mangkuk grafit, dan kristal benih SiC diletakkan di bahagian atas. Pisau grafit dipanaskan pada suhu pemejalwapan SiC, menyebabkan serbuk terurai menjadi spesies gas seperti wap Si, Si₂C, dan SiC₂. Didorong oleh kecerunan suhu paksi, spesies ini menyuburkan ke bahagian atas mangkuk pijar dan terpeluwap pada permukaan biji SiC, menghablur menjadi kristal tunggal SiC [6]. Kaedah ini boleh secara besar-besaran-menghasilkan SiC-saiz besar,-tinggi dan sesuai untuk{10}}pengeluaran industri berskala besar, tetapi kelemahannya termasuk kadar pertumbuhan yang perlahan dan keperluan untuk peralatan yang banyak, yang membawa kepada kos pengeluaran yang tinggi.
Untuk proses pertumbuhan PVT, banyak faktor mempengaruhi pertumbuhan kristal SiC, termasuk suhu, kecerunan suhu, tekanan pijar, jarak antara benih dan serbuk polihablur, dan ketulenan serbuk.
1.1 Sintesis Serbuk SiC
Serbuk SiC, sebagai bahan mentah untuk mensintesis dan mengembangkan kristal tunggal, secara langsung mempengaruhi kualiti dan sifat elektrokimia kristal yang ditanam. Mengurangkan pengasingan komposisi semasa pertumbuhan, menurunkan kandungan kekotoran, dan meningkatkan prestasi pengangkutan adalah matlamat penting dalam penyediaan serbuk dan prarawatan [8].
Serbuk SiC yang digunakan untuk menanam kristal tunggal mesti memenuhi keperluan ketulenan yang sangat tinggi, dengan kandungan kekotoran idealnya di bawah 0.001%. Terdapat banyak kaedah untuk menyediakan serbuk SiC, yang boleh dikelaskan mengikut keadaan awal bahan mentah kepada kaedah fasa-pepejal,{3}}cecair dan gas-. Kaedah fasa pepejal-terutamanya termasuk pengurangan karboterma, penghancuran mekanikal dan-merambat sendiri-sintesis suhu tinggi; kaedah fasa cecair-termasuk sol-gel dan penguraian polimer; kaedah fasa gas{11}}termasuk pemendapan wap kimia dan kaedah plasma. Antaranya, kaedah fasa-gas boleh memperoleh-serbuk SiC ketulenan tinggi dengan mengawal tahap kekotoran dalam sumber gas; antara kaedah fasa-cecair, hanya kaedah sol-gel boleh menghasilkan serbuk yang memenuhi keperluan ketulenan untuk-pertumbuhan kristal tunggal; antara kaedah fasa-pejal, kaedah sintesis suhu tinggi-sendiri yang dipertingkatkan kini merupakan proses yang paling meluas digunakan dan matang untuk penyediaan serbuk SiC [2,8].
1.2 Pisau pijar
Struktur dalaman pijar secara langsung mempengaruhi saiz dan kualiti kristal tunggal SiC yang ditanam; kawasan pertumbuhan terhad di dalam mangkuk pijar merupakan faktor penting yang menyekat pembesaran diameter [7]. Di samping itu, pijar boleh menyebabkan kekotoran logam disebabkan oleh ketulenan bahan dan faktor pemesinan. Apabila kekotoran tersebut wujud, ia menyebabkan pemanasan pijar yang tidak sekata, menjejaskan taburan medan suhu di dalam relau dan dengan itu kualiti kristal. Untuk mengelakkan ini, crucible mesti menjalani rawatan penulenan [2].
1.3 Kristal Benih
Untuk kristal SiC, arah pertumbuhan yang berbeza menunjukkan kadar pertumbuhan yang berbeza. Pilihan dan susunan permukaan pertumbuhan mempengaruhi bukan sahaja kualiti kristal tetapi juga saiz kristal. Morfologi dan struktur permukaan benih secara langsung mempengaruhi bilangan mikropaip dan kecacatan dalam kristal. Untuk mendapatkan-hablur tunggal bersaiz besar, hablur benih yang besar adalah prasyarat. Pelekatan benih biasanya dicapai dengan menggunakan pelekat. Lazimnya, resin fenolik yang diubah suai dilarutkan dalam etil asetoasetat untuk membentuk pelekat, yang disapu rata pada bahagian belakang benih SiC dan permukaan bawah penutup mangkuk pijar. Tekanan dikenakan pada permukaan benih untuk mengeluarkan buih dan pelekat yang berlebihan. Tudung kemudiannya diletakkan di dalam ketuhar untuk dipanaskan dan disimpan selama 2 jam, diikuti dengan pengkarbonan pelekat dalam suasana argon. Penjagaan mesti diambil untuk memastikan tekanan seragam semasa ikatan untuk mengelakkan keretakan benih akibat tekanan yang tidak sekata [2].
1.4 Parameter Pertumbuhan
Tetapan suhu, tekanan, kecerunan suhu, bekalan gas dan parameter lain semasa pertumbuhan kristal tunggal-SiC secara langsung mempengaruhi keseragaman, kehabluran dan sifat kecacatan kristal termendap. Penyelidikan dan reka bentuk parameter pertumbuhan kristal sentiasa menjadi tumpuan utama. Proses pertumbuhan kristal terutamanya melibatkan kawalan suhu dan tekanan. Pertumbuhan kristal SiC termasuk pemindahan haba, pemindahan jisim, dan tindak balas kimia. Pengagihan medan suhu di dalam relau sebahagian besarnya menentukan kualiti dan kadar pertumbuhan kristal tunggal SiC. Pemahaman yang tepat tentang medan suhu dan proses pengangkutan wap adalah penting untuk mendapatkan-hablur bersaiz besar-berkualiti tinggi [7].
Kaedah-Pertumbuhan Penyelesaian Berbiji Teratas (TSSG).
Kaedah TSSG, juga dikenali sebagai kaedah fasa cecair-, menumbuhkan kristal tunggal SiC pada kadar yang lebih perlahan, tetapi kristal yang dihasilkan mempunyai kesempurnaan struktur yang tinggi. Radas TSSG terdiri daripada gegelung aruhan, penebat grafit, mangkuk grafit, leburan Si, hablur biji SiC, dan batang penarik. Pisau grafit digunakan kerana ia tahan-haba dan tahan kakisan-, berfungsi sebagai bekas untuk leburan Si, dan ia juga membekalkan sumber karbon untuk pertumbuhan kristal. Bahan mentah silikon dan dopan diletakkan di dalam mangkuk grafit. Oleh kerana suhu pada dinding pijar adalah tinggi manakala suhu pada batang biji benih adalah rendah, karbon larut daripada pijar grafit dan bergabung dengan silikon cair pada biji benih, membentuk kristal SiC. Berbanding kaedah PVT, kaedah fasa cecair-menawarkan kelebihan seperti ketumpatan terkehel yang lebih rendah, pengembangan diameter lebih mudah dan keupayaan untuk mendapatkan kristal jenis p-. Walau bagaimanapun, isu kekal mengenai kawalan kandungan kekotoran dan pemilihan elemen peralihan.
Oleh kerana intipati kaedah TSSG ialah pembubaran dan penghabluran semula karbon dalam leburan silikon, meningkatkan keterlarutan karbon dalam larutan Si adalah kunci kepada pertumbuhan kristal tunggal-SiC yang berjaya. Walau bagaimanapun, keterlarutan karbon dalam silikon adalah sangat rendah, hanya kira-kira 13% walaupun pada suhu perittik 3037 K. Selain itu, silikon mengewap terus melebihi 2273 K, jadi peralihan lain atau unsur tanah-yang jarang berlaku mesti ditambah kepada larutan Si untuk meningkatkan keterlarutan karbon. Oleh itu, memilih pelarut yang sesuai adalah langkah paling kritikal untuk pertumbuhan kristal SiC yang berjaya dengan kaedah TSSG. Satu lagi fokus penyelidikan utama ialah mengawal proses kinetik semasa pertumbuhan. Selain itu, kemasukan pelarut dan kawalan polytype adalah isu penting dalam pertumbuhan penyelesaian [5,10].
Kaedah Pemendapan Wap Kimia Suhu Tinggi (HTCVD).
Reaktor HTCVD terdiri daripada bekas grafit dengan kristal benih diletakkan di bahagian atas, penebat luaran dan pemanasan aruhan. Bahan mentah ialah silikon gas- dan karbon-yang mengandungi sebatian seperti SiH₄, SiCl₄, C₃H₈ dan C₂H₂. Dengan mengawal suhu dan tekanan di dalam reaktor, SiC tumbuh pada biji benih pada suhu 2200 darjah –2500 darjah . Berbanding dengan kaedah PVT, kaedah HTCVD menawarkan kelebihan seperti ketulenan tinggi, kawalan mudah nisbah C/Si, dan bekalan bahan sumber yang berterusan. Kelemahannya ialah kedua-dua sumber silikon dan karbon berasal daripada gas, dan suhu pertumbuhan yang tinggi membawa kepada penggunaan kuasa yang tinggi dan kos pengeluaran [2-3].
3. Trend Pembangunan Kristal Tunggal Silikon Karbida
Pada masa hadapan, teknologi penyediaan kristal-SiC tunggal berkualiti tinggi akan terus ditingkatkan dalam empat arah utama: saiz-besar,{3}}tinggi, kos-rendah dan pintar [11]:
Saiz-besar: Diameter kristal tunggal SiC telah berkembang daripada skala milimeter awal-ke 6-inci semasa, 8-inci, malah 12 inci dan seterusnya. Penyediaan kristal bersaiz besar boleh meningkatkan kecekapan pengeluaran dengan ketara, mengurangkan kos pembuatan unit, dan lebih memenuhi keperluan peranti elektronik berkuasa tinggi.
Kualiti-tinggi: Substrat SiC-berkualiti tinggi ialah asas teras untuk peranti berprestasi tinggi-yang boleh dipercayai. Walaupun kualiti kristal tunggal-SiC telah bertambah baik, kecacatan kristal seperti paip mikro, kehelan dan kekotoran kekal berleluasa, secara langsung menjejaskan prestasi peranti dan kebolehpercayaan-jangka panjang. Usaha masa depan akan menumpukan kepada kejayaan berterusan dalam kawalan kecacatan.
Kos-rendah: Pada masa ini, kos SiC tunggal-penyediaan kristal yang agak tinggi mengehadkan aplikasi berskala besarnya-dalam lebih banyak senario. Pengurangan kos masa hadapan boleh dicapai dengan mengoptimumkan proses pertumbuhan kristal, meningkatkan hasil dan kecekapan pengeluaran, dan mengurangkan kos bahan mentah dan boleh guna di seluruh rantaian industri.
Pintar: Diperkasakan oleh kecerdasan buatan, data besar dan teknologi lain, proses pertumbuhan kristal SiC akan beransur-ansur menjadi lebih pintar. Melalui penggunaan-penderia talian dan sistem kawalan automatik,-pemantauan masa sebenar dan pengawalseliaan yang tepat bagi keseluruhan proses pertumbuhan boleh dicapai, meningkatkan kestabilan dan ketekalan proses. Digabungkan dengan analisis data-besar, parameter pertumbuhan boleh dioptimumkan secara berulang untuk meningkatkan lagi kualiti kristal dan kecekapan pengeluaran.