Kolmannen -sukupolven puolijohteena piikarbidilla (SiC) on piitä paremmat sähkö- ja lämpöominaisuudet, mikä tekee siitä yhden ihanteellisista materiaaleista korkean-lämpötilojen, korkean SiC on yhdiste, joka koostuu piistä ja hiilestä. Piiatomit ja hiiliatomit muodostavat tetraedrisen rakenteen. SiC-kiteillä on yli 200 tunnettua polytyyppiä, jotka muodostuvat vuorotellen piiatomikerroksia ja hiiliatomikerroksia eri tavoin. Yleisimmät ovat 3C-SiC (kuutiorakenne eli -SiC), 4H-SiC ja 6H-SiC (molemmat kuusikulmaiset rakenteet eli -SiC).
3C-SiC
3C-SiC on yksinkertaisin piikarbidin polytyyppi, ja sillä on kuutiotiivis-pakattu rakenne. Tässä rakenteessa pii- ja hiiliatomit on järjestetty erityisellä tavalla kolmiulotteiseen avaruuteen muodostaen erittäin symmetrisen kiderakenteen. Symmetriansa vuoksi 3C-SiC:llä on suhteellisen huonot elektroniset ja optiset ominaisuudet, ja sitä käytetään tällä hetkellä suhteellisen vähän käytännön sovelluksissa.
4H-SiC ja 6H-SiC
Toisin kuin 3C-SiC:llä, 4H-SiC:llä ja 6H-SiC:llä on kuusikulmainen tiiviisti-pakattu rakenne. Nämä kaksi polytyyppiä ovat 3C-SiC:tä parempia elektronien liikkuvuuden, lämmönjohtavuuden ja kaistavälin suhteen. 4H-SiC:llä on suurempi elektronien liikkuvuus, mikä tekee siitä ihanteellisen korkeataajuisille ja{13}}tehoisille elektronisille laitteille. Sitä käytetään laajimmin sellaisilla aloilla kuin uudet energiaajoneuvot ja 5G-viestintä, ja nykyiset piikarbidin valmistajat tuottavat pääasiassa 4H-SiC. 6H-SiC:llä on suurempi kaistaväli ja siksi se toimii paremmin korkeassa-lämpötiloissa ja{21}}korkeassa säteilyssä.
Kasvuteknologiat piikarbidin yksikiteille
Tällä hetkellä tärkeimmät piikarbidikiteiden kasvattamiseen käytettävät tekniikat ovat fyysinen höyrynkuljetus (PVT), korkean lämpötilan kemiallinen höyrypinnoitus (HTCVD) ja ylä-kylvöliuoksen kasvu (TSSG). Niistä PVT on tällä hetkellä kypsin ja laajimmin käytetty piikarbidin yksittäiskiteen-kasvatusmenetelmä Kiinassa ja ulkomailla.
Fyysinen höyrynkuljetus (PVT) -menetelmä
Fyysinen höyrynkuljetus (PVT) on laajalti käytetty menetelmä piikarbidin yksittäiskiteiden kaupalliseen kasvattamiseen. Se kehitettiin Lely-menetelmästä, jonka Lely kehitti vuonna 1955 sublimaatioprosessin avulla. Lely-menetelmä ei kuitenkaan pysty tehokkaasti hallitsemaan yksittäisen kiteen kasvua. Vuonna 1977 Tairov ja Tsvetkov käyttivät ensimmäisiä kylvösublimaatiota piikarbidin yksittäiskiteiden kasvattamiseen; tätä menetelmää kutsutaan myös "modifioiduksi Lely-menetelmäksi" tai PVT-menetelmäksi.
PVT:ssä siemenkide asetetaan grafiittiupokkaan yläosaan ja korkean -puhtauden piikarbidijauhe sijoitetaan pohjalle. Upokkaan ulkopuolella on lämpöeristyskerros; induktiolämmityspatteri on eristekerroksen ulkopuolella ja jäähdytysvesi patterin sisällä. Upokkaan sisällä lämpötilaa ja lämpötilagradienttia säätelemällä piikarbidijauhe muunnetaan kaasumaiseen tilaan ja kuljetetaan siemenkiteeseen, jossa sitten tapahtuu kiteiden kasvua. PVT:n raaka-aineena on korkea-puhtaus piikarbidijauhe, ja kasvulämpötila on 2100–2500 astetta. Tällä hetkellä jotkut kotimaiset piikarbidin valmistajat käyttävät tätä menetelmää päätuotantomenetelmänä. Sen haittoja ovat korkea kasvulämpötila, suuri virrankulutus ja korkeat kustannukset; kasvaneissa kiteissä on monia vikoja, jotka vaikuttavat laitteen suorituskykyyn ja käyttöikään.
Vaikka PVT SiC -kasvatusteknologia on jo hyvin kypsä, seuraavat ongelmat ovat edelleen todellisessa tuotannossa: SiC-yksikiteiden PVT-kasvussa tapahtuu helposti polytyyppisiirtymiä, jotka johtavat monikiteisiin sulkeutumiin. Yhden polytyypin hallinta piikarbidin kiteiden kasvun aikana on monimutkainen ongelma. Kun otetaan esimerkkinä yleiset 4H-SiC-yksittäiset kiteet, yksittäisen polytyypin vakaaseen kasvuun vaikuttavat monet tekijät, kuten siemenkiteiden polariteetti, kasvulämpötila, kasvupaine, höyry-faasin Si/C-suhde ja seostustyyppi, mikä tarkoittaa, että SiC-polytyypin tarkka säätely vaikeutuu. Tarkka lämpötilan säätö uunissa piikarbidin yksittäiskiteiden PVT-kasvun aikana on myös edelleen valtava haaste. Lisäksi PVT luottaa kaasun kuljetukseen ja reaktioprosesseihin korkeissa lämpötiloissa, mikä asettaa korkeat vaatimukset kaasun virtaukselle, reaktiokinetiikalle ja niin edelleen.
Korkean-lämpötilan kemiallinen höyrypinnoitus (HTCVD) -menetelmä
Korkean -lämpötilan kemiallisessa höyrypinnoitusmenetelmässä (HTCVD) piikarbidin siemenkide sijoitetaan grafiitista valmistettuun upokkaaseen. Silaani ja hiili-pitoinen esiastekaasu raaka-aineina tulevat jatkuvasti upokkaaseen pohjareaktorin kautta. Silaani pyrolysoituu sitten suoraan Si-klusteriksi, jotka reagoivat hiilivetyjen (CxHy) kanssa hiiltä - sisältävässä esiastekaasussa muodostaen SiC-yksittäiskiteen siemenkiteen alle.
Verrattuna PVT:hen, HTCVD käyttää korkealaatuisempia{0}}raaka-aineita ja voi tarkasti ohjata raaka-aineen syöttönopeutta, C/Si-suhdetta ja kasvulämpötilaa kasvun aikana, mikä tuottaa laadukkaampia-piikarbidikiteitä. Lisäksi kantajakaasun suora pyrolyysi antaa HTCVD:lle paremman energiatehokkuuden kuin muut menetelmät, ja nopea -kantokaasu auttaa pyrolyysillä saatuja klustereita saavuttamaan piikarbidin siemenkiteen, joten HTCVD kasvattaa piikarbidikiteitä nopeammin kuin muut menetelmät.
HTCVD:llä on etuja, kuten korkea kiteen laatu, nopea kasvunopeus ja jatkuva syöttö. Koska kasvulaitteet ja erittäin-puhtaat kaasut ovat kuitenkin kalliita, tämän menetelmän tuotantokustannukset ovat korkeat ja sen kaupallistamisprosessi on hidas. Samaan aikaan SiC-yksittäisten kiteiden HTCVD-kasvussa, koska SiH4:n ja C3H8:n täytyy hajota korkeassa lämpötilassa ja käydä läpi erilaisia reaktioita ennen kuin lopulta kiteet kasvavat piikarbidin siemenelle, jos lähdekaasu hajoaa liian nopeasti, kaasun sisääntulo tukkeutuu; jos lähdekaasu hajoaa liian hitaasti, reagoimatonta kaasua jää kaasun ulostuloon ja aiheuttaa tukos. Tämä tekee HTCVD SiC -yksikide{7}kasvatuslaitteistosta suhteellisen epävakaa. Lisäksi nykyinen HTCVD-tutkimus on riittämätöntä, prosessi ei ole vielä kypsä ja se on edelleen T&K-vaiheessa, joten piikarbidin yksittäiskiteiden HTCVD-kasvua ei käytetä laajasti teollisuudessa.
Top-Tased Solution Growth (TSSG) -menetelmä
Top{0}}siemenliuoksen kasvumenetelmässä (TSSG) piilähde on piisulate ja hiilen lähde on erittäin -puhtaus grafiittiupokas. Alle 2000 asteen hiilen liukoisuus piisulaan on alle 1 %, mikä tekee vaikeaksi saavuttaa SiC:n=1:1-moolisuhteen, joka tarvitaan piikarbidin kiteiden kasvuun. Jopa 2800 asteessa hiilen liukoisuus piiin on vain 19 %. Siksi varsinaisissa nestefaasin piikarbidikiteiden kasvatuskokeissa on lisättävä juoksutteita hiilen liukoisuuden lisäämiseksi korkean lämpötilan liuoksessa. Tavallisia juoksuaineita ovat Cr, Fe, Ti jne. Kiteen kasvun aikana grafiittiupokkaan hiili liukenee vähitellen sulatteeseen ja kuljetetaan sulatteen läpi siemenkiteelle mahdollistaen jatkuvan hiilen saannin. Säätämällä parametreja, kuten siemen/upokkaan pyörimisnopeutta, lämpötilakenttää ja virran taajuutta ja suuruutta, sulatteeseen muodostuu sopivat lämpötilagradientit, painegradientit ja virtauskentät, jotta hiili voidaan kuljettaa upokkaan seinämästä siemenkiteelle. Kuitenkin varsinaisessa kasvussa siemenkide liukenee usein ja monikiteinen materiaali saostuu upokkaan seinämään ja siemenkiteeseen. Siksi koko kiteen kasvuprosessin ajan kasvuparametreja on säädettävä pitämään koko järjestelmä sopivassa dynaamisessa tasapainossa, jotta voidaan saavuttaa jatkuva kiteen kasvu.
TSSG voi valmistaa piikarbidikiteitä miedommissa kasvuolosuhteissa. Siinä on myös teknisiä ominaisuuksia, kuten prosessiparametrien dynaaminen ja tarkka säätö, jatkuva halkaisijan laajeneminen ja tasainen korkean p-tyyppinen seostus. Siitä on tullut yksi erittäin kilpailukykyisistä innovatiivisista teknologioista edullisille-laadukkaille-piikarbidisubstraateille. Vaikka TSSG:llä on merkittäviä etuja piikarbidikiteiden valmistuksessa, sillä on myös korkeat tekniset esteet, jotka näkyvät pääasiassa lukuisissa prosessiparametreissa, joita on säädeltävä; mikä tahansa väärä parametrivalinta voi häiritä dynaamista tasapainoa kiteen kasvun aikana ja aiheuttaa vakavia makroskooppisia vikoja.