Являясь полупроводником третьего-поколения, карбид кремния (SiC) обладает электрическими и термическими свойствами, превосходящими свойства кремния, что делает его одним из идеальных материалов для изготовления высоко-температурных, высоко-частотных,-мощных и-устройств высокого напряжения. SiC представляет собой соединение, состоящее из кремния и углерода. Атомы кремния и атомы углерода образуют тетраэдрическую структуру. Кристаллы SiC имеют более 200 известных политипов, которые образуются путем чередования атомных слоев кремния и атомных слоев углерода разными способами. Наиболее распространенными являются 3C-SiC (кубическая структура, или -SiC), 4H-SiC и 6H-SiC (обе гексагональные структуры, или -SiC).
3C-SiC
3C-SiC — это простейший политип SiC, имеющий кубическую плотно-упакованную структуру. В этой структуре атомы кремния и углерода расположены особым образом в трехмерном пространстве, образуя высокосимметричную кристаллическую структуру. Из-за своей симметрии 3C-SiC имеет относительно плохие электронные и оптические свойства и в настоящее время сравнительно мало используется в практических приложениях.
4H-SiC и 6H-SiC
В отличие от 3C-SiC, 4H-SiC и 6H-SiC имеют гексагональную плотно-упакованную структуру. Эти два политипа превосходят 3C-SiC по подвижности электронов, теплопроводности и запрещенной зоне.. 4H-SiC обладает более высокой подвижностью электронов, что делает его более идеальным для высоко-частотных и мощных-электронных устройств. Он наиболее широко используется в таких областях, как транспортные средства на новой энергии и связь 5G, а нынешние производители SiC в основном производят 4H-SiC. 6H-SiC имеет большую запрещенную зону и поэтому лучше работает в условиях высоких-температур и-радиации.
Технологии выращивания монокристаллов SiC
В настоящее время основные технологии, используемые для выращивания кристаллов SiC, включают физический перенос паров (PVT), высокотемпературное химическое осаждение из паровой фазы (HTCVD) и рост из раствора с верхней- затравкой (TSSG). Среди них PVT в настоящее время является наиболее зрелым и наиболее широко используемым методом выращивания монокристаллов SiC-в Китае и за рубежом.
Метод физического паропереноса (PVT)
Физический перенос пара (PVT) является широко распространенным методом коммерческого выращивания монокристаллов SiC. Он был разработан на основе метода Лели, разработанного Лели в 1955 году посредством процесса сублимации. Однако метод Лели не может эффективно контролировать рост монокристаллов. В 1977 году Таиров и Цветков первыми применили затравочную сублимацию для выращивания монокристаллов SiC; этот метод также называют «модифицированным методом Лели» или методом PVT.
При PVT затравочный кристалл помещается в верхнюю часть графитового тигля, а порошок SiC высокой-чистоты — в нижнюю часть. Снаружи тигля находится слой теплоизоляции; катушка индукционного нагрева находится снаружи изоляционного слоя, а охлаждающая вода находится внутри катушки. Внутри тигля путем контроля температуры и температурного градиента порошок SiC переводится в газообразное состояние и транспортируется к затравочному кристаллу, где затем происходит рост кристаллов. Сырьем для PVT является порошок SiC высокой-чистоты, температура роста которого составляет 2100–2500 градусов. В настоящее время некоторые отечественные производители SiC используют этот метод в качестве основного метода производства. Его недостатками являются высокая температура роста, высокое энергопотребление и высокая стоимость; выращенные кристаллы имеют множество дефектов, влияющих на работоспособность и срок службы устройства.
Хотя технология PVT-роста SiC уже очень развита, в реальном производстве остаются следующие проблемы: При PVT-росте монокристаллов SiC легко возникают политипные переходы, приводящие к поликристаллическим включениям. Управление одним политипом во время роста кристаллов SiC является сложной задачей. Если взять в качестве примера основные монокристаллы 4H-SiC, то на стабильный рост одного политипа влияют многие факторы, включая полярность затравочного кристалла, температуру роста, давление роста, соотношение паровой фазы Si/C и тип легирования, что означает, что точное регулирование политипа SiC становится более трудным. Точный контроль температуры в печи во время PVT-роста монокристаллов SiC также остается огромной проблемой. Кроме того, PVT опирается на транспорт газа и реакционные процессы при высоких температурах, что предъявляет высокие требования к расходу газа, кинетике реакции и т. д.
Метод высокотемпературного-химического осаждения из паровой фазы (HTCVD)
В методе высоко-химического осаждения из паровой фазы (HTCVD) затравочный кристалл SiC помещается в тигель из графита. Силан и углерод-содержащий газ-прекурсор в качестве сырья непрерывно поступают в тигель через нижний реактор. Затем силан непосредственно пиролизуется с образованием кластеров Si, которые реагируют с углеводородами (CxHy) в углерод-содержащем газе-предшественнике с образованием монокристалла SiC под затравочным кристаллом.
По сравнению с PVT, при HTCVD используется сырье более высокой-чистоты, и он позволяет точно контролировать скорость подачи сырья, соотношение C/Si и температуру роста во время роста, что позволяет получать кристаллы SiC более высокого-качества. Кроме того, прямой пиролиз газа-носителя обеспечивает HTCVD более высокую энергоэффективность, чем другие методы, а высокая скорость газа-носителя помогает кластерам, полученным пиролизом, достичь затравочного кристалла SiC, поэтому HTCVD выращивает кристаллы SiC быстрее, чем другие методы.
HTCVD имеет такие преимущества, как высокое качество кристаллов, высокая скорость роста и непрерывная подача. Однако поскольку оборудование для выращивания и газы высокой-чистоты стоят дорого, этот метод требует высоких производственных затрат, а процесс его коммерциализации идет медленно. В то же время при выращивании монокристаллов SiC HTCVD, поскольку SiH4 и C3H8 должны разлагаться при высокой температуре и подвергаться различным реакциям, прежде чем окончательно вырастить кристаллы на затравке SiC, если исходный газ разлагается слишком быстро, вход для газа будет заблокирован; если исходный газ разлагается слишком медленно, непрореагировавший газ останется на выходе газа и вызовет закупорку. Это делает оборудование для выращивания монокристаллов HTCVD SiC относительно нестабильным. Кроме того, текущие исследования HTCVD недостаточны, процесс еще не развит и все еще находится на стадии исследований и разработок, поэтому HTCVD-выращивание монокристаллов SiC не получило широкого распространения в промышленности.
Лучший-Метод роста исходного решения (TSSG)
В методе выращивания из раствора с верхней-затравкой (TSSG) источником кремния является расплав кремния, а источником углерода – графитовый тигель высокой-чистоты. При температуре ниже 2000 градусов растворимость углерода в расплаве кремния составляет менее 1%, что затрудняет достижение мольного соотношения Si:C=1:1, необходимого для роста кристаллов SiC. Даже при температуре 2800 градусов растворимость углерода в кремнии составляет всего 19%. Поэтому в реальных экспериментах по выращиванию кристаллов SiC в жидкой-фазе необходимо добавлять некоторые флюсы для увеличения растворимости углерода в высокотемпературном-растворе. Обычные флюсы включают Cr, Fe, Ti и т. д. Во время роста кристаллов углерод в графитовом тигле постепенно растворяется в расплаве и переносится через расплав к затравочному кристаллу, обеспечивая непрерывную подачу углерода. Путем управления такими параметрами, как скорость вращения затравки/тигля, температурное поле, а также частота и величина тока, в расплаве формируются соответствующие температурные градиенты, градиенты давления и поля течения, так что углерод может транспортироваться от стенки тигля к затравочному кристаллу. Однако при фактическом выращивании затравочный кристалл часто растворяется, и поликристаллический материал осаждается на стенках тигля и на затравочном кристалле. Следовательно, на протяжении всего процесса роста кристаллов параметры роста необходимо регулировать, чтобы поддерживать всю систему в подходящем динамическом равновесии и обеспечить непрерывный рост кристаллов.
TSSG может приготовить кристаллы SiC в более мягких условиях роста. Он также обладает такими техническими характеристиками, как динамическое и точное регулирование параметров процесса, непрерывное увеличение диаметра и равномерное легирование высокого p--типа. Она стала одной из высококонкурентных инновационных технологий для создания недорогих-качественных-подложек SiC. Хотя TSSG имеет значительные преимущества при получении кристаллов SiC, он также имеет высокие технические барьеры, главным образом отражающиеся в многочисленных параметрах процесса, которые необходимо регулировать; любой неправильный выбор параметров может нарушить динамическое равновесие во время роста кристаллов и вызвать серьезные макроскопические дефекты.