1. Johdatus piikarbidiin
Puolijohdemateriaaleista on tullut maailmanlaajuisen korkean teknologian{0}}kilpailun ja suuren{1}}voimakilpailun keskipiste. Niiden joukossa laajakaistaisia puolijohdemateriaaleja, joita edustaa piikarbidi (SiC), on sovellettu suurissa-mittakaavaisissa sovelluksissa avainaloilla, kuten seuraavan-sukupolven matkaviestinnässä, älykkäissä verkoissa, nopeassa-junaliikenteessä, uusissa energiaajoneuvoissa ja kulutuselektroniikassa. Piikarbidilla on laaja kaistaväli, korkea läpilyöntisähkökenttä, korkea lämmönjohtavuus, korkea elektronien kyllästymisnopeus ja vahva säteilyvastus. Se voi rikkoa pii-pohjaisten puolijohdelaitteiden suorituskykyrajat, ja sitä pidetään tehoelektroniikan ja mikroaaltoradiotaajuisten laitteiden "CPU:na" sekä vihreän talouden "ydinsiruna" [1].
Piikarbidin kiderakenne
Piikarbidi on IV-IV-yhdiste, jolla on ainutlaatuiset fysikaaliset ja kemialliset ominaisuudet. Si- ja C-atomit muodostavat kovalenttisia sidoksia jakamalla elektronipareja sp³-hybridiradalla, mikä johtaa tetraedriseen sidosrakenteeseen muodostaen SiC-kiteitä. Piikarbidilla on yli 200 polytyyppiä, jotka on rakennettu pinoamalla Si-C-kaksoiskerroksia eri sarjoissa. Tunnettuja polytyyppejä ovat 2H-SiC, 3C-SiC, 4H-SiC, 6H-SiC, 15R-SiC jne. Polytyyppinimitys perustuu Si-C:n määrään kiteen kanssa, Rx-kaksoiskerros systeemikennoa kohden, romboedriselle). Eri piikarbidipolytyypeillä on erilaiset elektroniset, optiset ja mekaaniset ominaisuudet, mikä tarjoaa selkeitä etuja erilaisissa sovelluksissa [2-4].
3C-SiC: 3C-SiC on yksinkertaisin polytyyppi, jolla on kuutiotiivis-pakattu rakenne. Si- ja C-atomit ovat järjestetty tiettyyn kolmiulotteiseen malliin muodostaen erittäin symmetrisen kiteen. Symmetriansa vuoksi 3C-SiC:llä on suhteellisen huonot elektroniset ja optiset ominaisuudet, joten sen käyttö on rajallista.
4H-SiC ja 6H-SiC: Toisin kuin 3C-SiC, 4H-SiC:llä ja 6H-SiC:llä on kuusikulmainen tiiviisti-pakattu rakenne. Molemmat polytyypit ovat parempia kuin 3C-SiC elektronien liikkuvuuden, lämmönjohtavuuden ja kaistavälin suhteen suurempi kaistaväli, mikä tekee siitä paremman korkean lämpötilan ja korkean säteilyn ympäristöissä [4].
Katsaus piikarbidin kotimaiseen ja kansainväliseen kehitykseen
1990-luvulla ulkomaiset yritykset, kuten Cree ja Westinghouse, olivat jo ottaneet johtoaseman 2–4 tuuman piikarbidialustojen kehittämisessä ja tuotannossa. Jatkuvan teknologisen iteroinnin myötä 2000-luvulle 6-tuumaisista piikarbidikiekoista tuli vähitellen valtavirtaa markkinoilla. Sähköajoneuvojen ja uusien energiateollisuudenalojen räjähdysmäisen kasvun vetämänä piikarbidimateriaalien maailmanlaajuinen kysyntä on jatkanut kasvuaan. Kotimaiset ja ulkomaiset yritykset ja tutkimuslaitokset ovat lisänneet T&K-investointeja suuriin-kokoisiin, korkealaatuisiin{11}piikarbidikiekoihin. Tällä hetkellä kansainväliset valmistajat, kuten Wolfspeed, II-VI ja Rohm, ovat saavuttaneet 8 tuuman piikarbidialustojen massatuotannon. Kiinan "14. viisivuotissuunnitelman" vauhdittamana kotimainen 8 tuuman piikarbidisubstraattituotanto on myös siirtynyt teollistumisvaiheeseen, ja yritykset, kuten TankeBlue, SICC ja Jingsheng Mechanical & Electrical, ilmoittivat peräkkäin 8 tuuman piikarbidisubstraattien erätoimituksesta [5].
Tällä hetkellä 6-tuumainen piikarbidi on edelleen maailmanlaajuinen kaupallinen valtavirta, kun taas 8 tuuman tuotteet ovat kiihtymässä kohti teollistumista. Keskitetyt läpimurrot 12 tuuman piikarbidikentässä merkitsevät kriittistä käännekohtaa kolmannen sukupolven puolijohdeteollisuudelle. Kotimaiset yritykset, mukaan lukien SICC, Jingsheng Mechanical & Electrical, Jingyue Semiconductor, Tiancheng Semiconductor, Keyyou Semiconductor, Hoshine Silicon, Nansha Jingyuan, GlobalWafers, Shuoke Crystal sekä yhdysvaltalainen Wolfspeed, ovat kaikki edistyneet merkittävästi SiC-single-substraattien kehitystyössä.
2. Menetelmät piikarbidin yksittäiskiteiden valmistamiseksi
Tällä hetkellä kolme päämenetelmää, joilla voidaan tuottaa korkealaatuisia-sikarbidin yksikiteitä, ovat fyysinen höyrynsiirtomenetelmä (PVT), korkean lämpötilan kemiallinen höyrypinnoitusmenetelmä (HTCVD) ja Top-Siemed Solution Growth (TSSG) -menetelmä.
Fyysinen höyrynkuljetus (PVT) -menetelmä
Vuonna 1955 Lely käytti ensimmäisen kerran sublimaatiomenetelmää piikarbidin yksittäiskiteiden kasvattamiseen. Tällä menetelmällä oli kuitenkin monia luontaisia haittoja: äärimmäisen korkeat kasvulämpötilat, ytimien muodostumisen tarkan hallinnan vaikeus, alhainen kasvutehokkuus, sähköisten parametrien laaja dispersio tuloksena olevissa kiteissä ja yleensä pienet kidekoot. Tämän seurauksena Lely-menetelmällä valmistettujen piikarbidikiteiden laatu oli heikko, mutta kustannukset pysyivät korkeina. Tämä tekninen haaste selvisi vasta vuonna 1978, jolloin Tairov ja kollegat ottivat perinteiseen Lely-menetelmään perustuvaan kasvatusprosessiin siemenkiteen, joka mahdollistaa tehokkaan nukleaation hallinnan ja kasvulämpötilan alentamisen. Tämä menetelmä tuli tunnetuksi modifioituna Lely-menetelmänä eli Physical Vapor Transport -menetelmänä [6-9].
PVT-menetelmässä on kehittynyt tekniikka ja vahva hallittavuus, ja se on tällä hetkellä ensisijainen menetelmä korkealaatuisen-suuren{1}}piikarbidin tuottamiseen. Tässä menetelmässä piikarbidijauhe sijoitetaan grafiittiupokkaan pohjalle ja piikarbidin siemenkide sijoitetaan yläosaan. Grafiittiupokas kuumennetaan piikarbidin sublimaatiolämpötilaan, jolloin jauhe hajoaa kaasumaisiksi aineiksi, kuten Si-höyryksi, Si2C:ksi ja SiC2:ksi. Aksiaalisen lämpötilagradientin ohjaamana nämä lajit uppoavat upokkaan yläosaan ja tiivistyvät piikarbidin siemenpinnalle kiteytyen piikarbidin yksittäiskiteiksi [6]. Tällä menetelmällä voidaan massa-tuottaa suuria-kokoisia, erittäin-puhtaita piikarbidia, ja se soveltuu laajamittaiseen teollisuustuotantoon, mutta sen haittoja ovat hidas kasvu ja huomattavien laitteiden tarve, mikä johtaa korkeisiin tuotantokustannuksiin.
PVT-kasvatusprosessissa monet tekijät vaikuttavat piikarbidin kiteiden kasvuun, mukaan lukien lämpötila, lämpötilagradientti, upokkaan paine, siemenen ja monikiteisen jauheen välinen etäisyys ja jauheen puhtaus.
1.1 SiC-jauhesynteesi
Piikarbidijauhe yksittäiskiteiden syntetisoinnin ja kasvatuksen raaka-aineena vaikuttaa suoraan kasvatettujen kiteiden laatuun ja sähkökemiallisiin ominaisuuksiin. Koostumuksen segregaation vähentäminen kasvun aikana, epäpuhtauspitoisuuden alentaminen ja kuljetuskyvyn parantaminen ovat tärkeitä tavoitteita jauheen valmistuksessa ja esikäsittelyssä [8].
Yksittäisten kiteiden kasvattamiseen käytettävän piikarbidijauheen on täytettävä erittäin korkeat puhtausvaatimukset, ja epäpuhtauspitoisuus on mieluiten alle 0,001 %. Piikarbidijauheen valmistamiseksi on monia menetelmiä, jotka voidaan luokitella raaka-aineiden alkutilan perusteella kiinteän -faasin, nestefaasin- ja kaasu-faasimenetelmiin. Kiinteän faasin-menetelmiin kuuluvat pääasiassa hiiliterminen pelkistys, mekaaninen murskaus ja itse-lisääntyvä korkean lämpötilan{8}}synteesi; nestefaasin menetelmiä ovat sooli-geelin ja polymeerin hajottaminen; kaasufaasimenetelmiä ovat kemialliset höyrypinnoitus- ja plasmamenetelmät. Näistä kaasufaasimenetelmillä voidaan saada erittäin puhdasta piikarbidijauhetta säätelemällä kaasulähteiden epäpuhtaustasoja. nestefaasimenetelmistä vain sooli{16}}geelimenetelmällä voidaan tuottaa jauhetta, joka täyttää yksittäiskiteiden kasvun puhtausvaatimukset; kiinteän faasin menetelmistä parannettu itse-lisääntyvä korkean lämpötilan{20}}synteesimenetelmä on tällä hetkellä laajimmin käytetty ja kypsin prosessi piikarbidijauheen valmistukseen [2,8].
1.2 Upokas
Upokkaan sisäinen rakenne vaikuttaa suoraan kasvaneiden piikarbidikiteiden kokoon ja laatuun; rajallinen kasvualue upokkaan sisällä on tärkeä halkaisijan suurenemista rajoittava tekijä [7]. Lisäksi upokkaat voivat sisältää metalliepäpuhtauksia materiaalin puhtauden ja koneistustekijöiden vuoksi. Kun tällaisia epäpuhtauksia on läsnä, ne aiheuttavat upokkaan epätasaista kuumenemista, mikä vaikuttaa lämpötilakentän jakautumiseen uunin sisällä ja siten kiteen laatuun. Tämän välttämiseksi upokas on puhdistettava [2].
1.3 Siemenkristalli
SiC-kiteillä eri kasvusuunnat osoittavat erilaisia kasvunopeuksia. Kasvupinnan valinta ja järjestely vaikuttavat paitsi kiteen laatuun myös kiteen kokoon. Siemenpinnan morfologia ja rakenne vaikuttavat suoraan kiteen mikroputkien ja vikojen määrään. Suurien -kokoisten yksittäiskiteiden saamiseksi suuri siemenkide on edellytys. Siementen kiinnitys saavutetaan yleensä käyttämällä liimoja. Tyypillisesti modifioitu fenolihartsi liuotetaan etyyliasetoasetaattiin liiman muodostamiseksi, joka levitetään tasaisesti piikarbidin siemenen taakse ja upokkaan kannen alapintaan. Siemenen pintaan kohdistetaan painetta kuplien ja ylimääräisen liiman poistamiseksi. Kansi asetetaan sitten uuniin lämmitettäväksi ja sitä pidetään 2 tuntia, minkä jälkeen liima karbonoidaan argonatmosfäärissä. Liimauksen aikana on varmistettava tasainen paine, jotta siemen ei halkeile epätasaisesta jännityksestä [2].
1.4 Kasvuparametrit
Lämpötilan, paineen, lämpötilagradientin, kaasun syötön ja muiden parametrien asetukset piikarbidin yksittäiskiteiden kasvun aikana vaikuttavat suoraan kerrostuneiden kiteiden tasaisuuteen, kiteisyyteen ja virheominaisuuksiin. Kiteen kasvuparametrien tutkimus ja suunnittelu on aina ollut keskeistä. Kiteen kasvuprosesseihin kuuluu pääasiassa lämpötilan ja paineen säätely. SiC-kiteiden kasvu sisältää lämmönsiirron, massansiirron ja kemialliset reaktiot. Lämpötilan kentän jakautuminen uunin sisällä määrää suurelta osin piikarbidin yksittäiskiteiden laadun ja kasvunopeuden. Lämpötilakentän ja höyrynsiirtoprosessien tarkka ymmärtäminen on ratkaisevan tärkeää korkealaatuisten, suurikokoisten-kiteiden saamiseksi [7].
Top-Tased Solution Growth (TSSG) -menetelmä
TSSG-menetelmä, joka tunnetaan myös nestefaasimenetelmänä, kasvattaa piikarbidin yksittäiskiteitä hitaammin, mutta tuotettujen kiteiden rakenteellinen täydellisyys on korkea. TSSG-laite koostuu induktiokelasta, grafiittieristyksestä, grafiittiupokkaan, Si-sulatteesta, SiC-siemenkiteestä ja vetotangosta. Grafiittiupokasta käytetään, koska se on lämmön--- ja korroosionkestävä-, toimii Si-sulan säiliönä ja toimii myös hiilen lähteenä kiteen kasvuun. Piin raaka-aine ja lisäaineet asetetaan grafiittiupokkaaseen. Koska lämpötila upokkaan seinämässä on korkea, kun taas siemensauvan lämpötila on alhainen, hiili liukenee grafiittiupokkaasta ja yhdistyy sulaneen piin kanssa siemenkohdassa muodostaen piikarbidikiteitä. Verrattuna PVT-menetelmään nestefaasimenetelmällä on etuja, kuten pienempi dislokaatiotiheys, helpompi halkaisijan laajeneminen ja mahdollisuus saada p--tyypin kiteitä. Epäpuhtaussisällön hallintaan ja siirtymäelementtien valintaan liittyy kuitenkin edelleen ongelmia.
Koska TSSG-menetelmän ydin on hiilen liukeneminen ja uudelleenkiteytyminen piisulassa, hiilen liukoisuuden parantaminen Si-liuoksessa on avain onnistuneeseen piikarbidin{0}}yksikiteen kasvuun. Hiilen liukoisuus piihin on kuitenkin erittäin alhainen, vain noin 13 % jopa 3037 K:n peritektisessä lämpötilassa. Lisäksi pii höyrystyy suoraan yli 2273 K, joten Si-liuokseen on lisättävä muita siirtymä- tai harvinaisia maa-alkuaineita hiilen liukoisuuden lisäämiseksi. Siksi sopivan liuottimen valinta on kriittisin vaihe onnistuneelle piikarbidikiteiden kasvulle TSSG-menetelmällä. Toinen keskeinen tutkimuskohde on kineettisten prosessien hallinta kasvun aikana. Lisäksi liuottimen sisällyttäminen ja polytyypin hallinta ovat tärkeitä asioita liuoskasvussa [5,10].
Korkean-lämpötilan kemiallinen höyrypinnoitus (HTCVD) -menetelmä
HTCVD-reaktori koostuu grafiittiupokkaasta, jonka yläosaan on sijoitettu siemenkide, ulkoisesta eristyksestä ja induktiolämmityksestä. Raaka-aineet ovat kaasumaisia piitä- ja hiiltä{2}} sisältäviä yhdisteitä, kuten SiH4, SiCl4, C3H8 ja C2H2. Säätämällä lämpötilaa ja painetta reaktorin sisällä piikarbidi kasvaa siemenellä 2200-2500 asteen lämpötiloissa. PVT-menetelmään verrattuna HTCVD-menetelmä tarjoaa etuja, kuten korkean puhtauden, kätevän C/Si-suhteen säädön ja jatkuvan lähdemateriaalin syötön. Sen haittoja ovat, että sekä pii- että hiililähteet tulevat kaasuista, ja korkea kasvulämpötila johtaa korkeaan virrankulutukseen ja tuotantokustannuksiin [2-3].
3. Piikarbidin yksittäiskiteiden kehityssuuntaukset
Tulevaisuudessa korkea-laadukas SiC-yksikide-kiteiden valmistustekniikka jatkuu neljään pääsuuntaan: suuri-koko, korkea-laatu, alhainen-kustannus ja älykäs [11]:
Suuri{0}}koko: SiC-yksikiteiden halkaisija on laajentunut varhaisesta millimetri-mittakaavasta nykyiseen 6-tuumaan, 8- tuumaan ja jopa 12 tuumaan ja sen yli. Suurikokoinen kiteen valmistelu voi parantaa merkittävästi tuotannon tehokkuutta, vähentää yksikkövalmistuskustannuksia ja vastata paremmin suuritehoisten elektronisten laitteiden tarpeisiin.
Korkea{0}}laatu: Laadukkaat-siC-substraatit ovat luotettavien korkean suorituskyvyn{1}}laitteiden perusta. Vaikka piikarbidin yksittäiskiteiden laatu on parantunut huomattavasti, kidevirheet, kuten mikroputket, sijoitukset ja epäpuhtaudet, ovat edelleen yleisiä, mikä vaikuttaa suoraan laitteen suorituskykyyn ja pitkäaikaiseen luotettavuuteen. Tulevaisuudessa keskitytään jatkuvaan läpimurtoon vianhallinnassa.
Alhaiset{0}}kustannukset: Tällä hetkellä piikarbidin yksittäiskiteiden valmistuksen suhteellisen korkea hinta Tulevaisuudessa kustannussäästöjä voidaan saavuttaa optimoimalla kiteen kasvuprosesseja, parantamalla saantoa ja tuotannon tehokkuutta sekä alentamalla raaka-aine- ja kulutushyödykekustannuksia koko teollisuusketjussa.
Älykäs: Tekoälyn, big datan ja muiden teknologioiden ansiosta piikarbidikiteiden kasvuprosessista tulee vähitellen älykkäämpi. In-linja-anturien ja automaattisten ohjausjärjestelmien avulla voidaan saavuttaa reaaliaikainen seuranta ja koko kasvuprosessin tarkka säätely, mikä parantaa prosessin vakautta ja johdonmukaisuutta. Yhdessä suuren-data-analyysin kanssa kasvuparametreja voidaan optimoida iteratiivisesti kiteiden laadun ja tuotannon tehokkuuden parantamiseksi.