Als Halbleiter der dritten{0}}Generation weist Siliziumkarbid (SiC) elektrische und thermische Eigenschaften auf, die denen von Silizium überlegen sind, was es zu einem der idealen Materialien für die Herstellung von Hochtemperatur-, Hochfrequenz-, Hoch{3}leistungs- und Hoch{4}spannungsgeräten macht. SiC ist eine Verbindung aus Silizium und Kohlenstoff. Siliziumatome und Kohlenstoffatome bilden eine tetraedrische Struktur. SiC-Kristalle haben mehr als 200 bekannte Polytypen, die durch abwechselnde Abwechslung von Silizium-Atomschichten und Kohlenstoff-Atomschichten auf unterschiedliche Weise gebildet werden. Am häufigsten sind 3C-SiC (kubische Struktur oder -SiC), 4H-SiC und 6H-SiC (beide hexagonale Strukturen oder -SiC).
3C-SiC
3C-SiC ist der einfachste SiC-Polytyp und hat eine kubisch dicht-gepackte Struktur. In dieser Struktur sind Silizium- und Kohlenstoffatome auf eine bestimmte Weise im dreidimensionalen Raum angeordnet und bilden eine hochsymmetrische Kristallstruktur. Aufgrund seiner Symmetrie weist 3C-SiC relativ schlechte elektronische und optische Eigenschaften auf und wird derzeit relativ wenig in praktischen Anwendungen eingesetzt.
4H-SiC und 6H-SiC
Im Gegensatz zu 3C-SiC haben 4H-SiC und 6H-SiC hexagonal dicht-gepackte Strukturen. Diese beiden Polytypen sind 3C-SiC hinsichtlich Elektronenmobilität, Wärmeleitfähigkeit und Bandlücke überlegen. . 4H-SiC verfügt über eine höhere Elektronenmobilität, was es idealer für elektronische Geräte mit hoher Frequenz und hoher Leistung macht. Es wird am häufigsten in Bereichen wie Fahrzeugen mit neuer Energie und 5G-Kommunikation verwendet, und aktuelle SiC-Hersteller produzieren hauptsächlich 4H-SiC. 6H{19}}SiC hat eine größere Bandlücke und schneidet daher in Umgebungen mit hohen-Temperaturen und hoher-Strahlung besser ab.
Wachstumstechnologien für SiC-Einkristalle
Zu den derzeit wichtigsten Technologien für das SiC-Kristallwachstum gehören der physikalische Dampftransport (PVT), die chemische Gasphasenabscheidung bei hoher Temperatur (HTCVD) und das Top-Seed-Solution-Growth (TSSG). Unter diesen ist PVT derzeit die ausgereifteste und am weitesten verbreitete Methode zur Züchtung von SiC-Einkristallen in China und im Ausland.
Methode des physikalischen Dampftransports (PVT).
Der physikalische Dampftransport (PVT) ist eine weit verbreitete Methode zur kommerziellen Züchtung von SiC-Einkristallen. Es wurde aus der Lely-Methode entwickelt, die 1955 von Lely durch einen Sublimationsprozess entwickelt wurde. Allerdings kann die Lely-Methode das Wachstum einzelner-Kristalle nicht effektiv steuern. Im Jahr 1977 nutzten Tairov und Tsvetkov als erste die Impfsublimation zur Züchtung von SiC-Einkristallen; diese Methode wird auch „modifizierte Lely-Methode“ oder PVT-Methode genannt.
Bei der PVT wird ein Impfkristall oben auf einen Graphittiegel gelegt, und hoch{0}}reines SiC-Pulver wird unten platziert. Außerhalb des Tiegels befindet sich eine Wärmedämmschicht; Eine Induktionsheizspule befindet sich außerhalb der Isolationsschicht und Kühlwasser befindet sich innerhalb der Spule. Im Inneren des Tiegels wird das SiC-Pulver durch Steuerung der Temperatur und des Temperaturgradienten in einen gasförmigen Zustand überführt und zum Impfkristall transportiert, wo dann das Kristallwachstum stattfindet. Das Rohmaterial für PVT ist hochreines SiC-Pulver und die Wachstumstemperatur beträgt 2100 bis 2500 Grad. Derzeit verwenden einige inländische SiC-Hersteller diese Methode als ihre Hauptproduktionsmethode. Seine Nachteile sind hohe Wachstumstemperatur, hoher Stromverbrauch und hohe Kosten; Die gewachsenen Kristalle weisen viele Defekte auf, die die Leistung und Lebensdauer des Geräts beeinträchtigen.
Obwohl die PVT-SiC-Wachstumstechnologie bereits sehr ausgereift ist, bestehen in der tatsächlichen Produktion weiterhin folgende Probleme: Beim PVT-Wachstum von SiC-Einkristallen kommt es leicht zu Polytypenübergängen, die zu polykristallinen Einschlüssen führen. Die Kontrolle eines einzelnen Polytyps während des SiC-Kristallwachstums ist ein komplexes Thema. Am Beispiel gängiger 4H-SiC-Einkristalle wird das stabile Wachstum eines einzelnen Polytyps durch viele Faktoren beeinflusst, darunter die Polarität des Impfkristalls, die Wachstumstemperatur, den Wachstumsdruck, das Verhältnis von Si/C in der Dampfphase und den Dotierungstyp, was bedeutet, dass eine genaue Regulierung des SiC-Polytyps schwieriger wird. Auch die präzise Temperaturkontrolle im Ofen während der PVT-Züchtung von SiC-Einkristallen bleibt eine große Herausforderung. Darüber hinaus ist PVT auf Gastransport- und Reaktionsprozesse bei hohen Temperaturen angewiesen, was hohe Anforderungen an den Gasfluss, die Reaktionskinetik usw. stellt.
Methode der chemischen Gasphasenabscheidung (HTCVD) bei hoher-Temperatur
Bei der Hochtemperatur-chemischen Gasphasenabscheidung (HTCVD) wird ein SiC-Keimkristall in einen Tiegel aus Graphit gegeben. Silan und ein kohlenstoffhaltiges Vorläufergas gelangen als Rohstoffe kontinuierlich über einen Bodenreaktor in den Tiegel. Das Silan pyrolysiert dann direkt zu Si-Clustern, die mit Kohlenwasserstoffen (CxHy) im kohlenstoffhaltigen Vorläufergas reagieren und einen SiC-Einkristall unterhalb des Impfkristalls bilden.
Im Vergleich zu PVT verwendet HTCVD Rohstoffe mit höherer{0}}Reinheit und kann die Rohstoffzufuhrrate, das C/Si-Verhältnis und die Wachstumstemperatur während des Wachstums genau steuern, wodurch SiC-Kristalle von höherer{1}}Qualität entstehen. Darüber hinaus verleiht die direkte Pyrolyse des Trägergases HTCVD eine höhere Energieeffizienz als andere Methoden, und das Hochgeschwindigkeits-Trägergas hilft den durch Pyrolyse erhaltenen Clustern, den SiC-Keimkristall zu erreichen, sodass HTCVD SiC-Kristalle schneller wachsen lässt als andere Methoden.
HTCVD bietet Vorteile wie hohe Kristallqualität, schnelle Wachstumsrate und kontinuierliche Zuführung. Da jedoch die Wachstumsausrüstung und hochreine Gase teuer sind, verursacht diese Methode hohe Produktionskosten und der Kommerzialisierungsprozess ist langsam. Da SiH4 und C3H8 bei der HTCVD-Züchtung von SiC-Einkristallen gleichzeitig bei hoher Temperatur zerfallen und verschiedene Reaktionen durchlaufen müssen, bevor schließlich Kristalle auf dem SiC-Keim wachsen, wird der Gaseinlass blockiert, wenn sich das Quellgas zu schnell zersetzt. Wenn sich das Quellgas zu langsam zersetzt, verbleibt nicht reagiertes Gas am Gasauslass und führt zu einer Verstopfung. Dies macht HTCVD-Anlagen zur SiC-Einkristallzüchtung relativ instabil. Darüber hinaus ist die aktuelle Forschung zu HTCVD unzureichend, das Verfahren ist noch nicht ausgereift und befindet sich noch im Forschungs- und Entwicklungsstadium, sodass die HTCVD-Züchtung von SiC-Einkristallen in der Industrie nicht weit verbreitet ist.
Top-Seed Solution Growth (TSSG)-Methode
Beim Top-Seed Solution Growth (TSSG)-Verfahren ist die Siliziumquelle eine Siliziumschmelze und die Kohlenstoffquelle ein hochreiner Graphittiegel. Unterhalb von 2000 Grad beträgt die Löslichkeit von Kohlenstoff in der Siliziumschmelze weniger als 1 %, was es schwierig macht, das für das SiC-Kristallwachstum erforderliche Molverhältnis Si:C=1:1 zu erreichen. Selbst bei 2800 Grad beträgt die Löslichkeit von Kohlenstoff in Silizium nur 19 %. Daher müssen in tatsächlichen Flüssig-phasen-SiC-Kristallwachstumsexperimenten einige Flussmittel hinzugefügt werden, um die Löslichkeit von Kohlenstoff in der Hochtemperaturlösung zu erhöhen. Übliche Flussmittel sind Cr, Fe, Ti usw. Während des Kristallwachstums löst sich der Kohlenstoff im Graphittiegel allmählich in der Schmelze auf und wird durch die Schmelze zum Impfkristall transportiert, wodurch eine kontinuierliche Kohlenstoffversorgung ermöglicht wird. Durch die Steuerung von Parametern wie der Keim-/Tiegelrotationsgeschwindigkeit, dem Temperaturfeld sowie der Stromfrequenz und -stärke werden in der Schmelze geeignete Temperaturgradienten, Druckgradienten und Strömungsfelder gebildet, sodass Kohlenstoff von der Tiegelwand zum Keimkristall transportiert werden kann. Beim tatsächlichen Wachstum wird der Impfkristall jedoch häufig aufgelöst und polykristallines Material fällt an der Tiegelwand und am Impfkristall aus. Daher müssen während des gesamten Kristallwachstumsprozesses die Wachstumsparameter angepasst werden, um das gesamte System in einem geeigneten dynamischen Gleichgewicht zu halten, damit ein kontinuierliches Kristallwachstum erreicht werden kann.
TSSG kann SiC-Kristalle unter milderen Wachstumsbedingungen herstellen. Es verfügt außerdem über technische Merkmale wie eine dynamische und präzise Regulierung der Prozessparameter, ein kontinuierliches Wachstum der Durchmessererweiterung und eine gleichmäßig hohe Dotierung vom p--Typ. Es hat sich zu einer der wettbewerbsfähigsten innovativen Technologien für kostengünstige und qualitativ hochwertige SiC-Substrate entwickelt. Obwohl TSSG erhebliche Vorteile bei der Herstellung von SiC-Kristallen bietet, weist es auch hohe technische Hürden auf, die sich hauptsächlich in den zahlreichen Prozessparametern widerspiegeln, die reguliert werden müssen; Jede ungeeignete Parameterwahl kann das dynamische Gleichgewicht während des Kristallwachstums stören und schwere makroskopische Defekte verursachen.