Kolmanda -põlvkonna pooljuhina on ränikarbiidil (SiC) räni omadest paremad elektrilised ja termilised omadused, mistõttu on see üks ideaalseid materjale kõrge-temperatuuri, kõrgsagedusliku, suure-võimsusega ja kõrgepinge{4}}seadmete valmistamiseks. SiC on ühend, mis koosneb ränist ja süsinikust. Räni aatomid ja süsinikuaatomid moodustavad tetraeedrilise struktuuri. SiC kristallidel on teada rohkem kui 200 polütüüpi, mis tekivad räni aatomikihtide ja süsinikuaatomi kihtide vaheldumisel erineval viisil. Kõige tavalisemad on 3C-SiC (kuupstruktuur ehk -SiC), 4H-SiC ja 6H-SiC (mõlemad kuusnurksed struktuurid ehk -SiC).
3C-SiC
3C-SiC on lihtsaim ränikarbiidi polütüüp ja sellel on kuubikujuline tihe{2}}pakendatud struktuur. Selles struktuuris paiknevad räni- ja süsinikuaatomid kindlal viisil kolmemõõtmelises ruumis, moodustades ülisümmeetrilise kristallstruktuuri. Oma sümmeetria tõttu on 3C-SiC suhteliselt kehvad elektroonilised ja optilised omadused ning seda kasutatakse praegu praktilistes rakendustes suhteliselt vähe.
4H-SiC ja 6H-SiC
Erinevalt 3C-SiC-st on 4H-SiC-l ja 6H-SiC-l kuusnurksed tihedad-pakitud struktuurid. Need kaks polütüüpi on 3C-SiC-st paremad elektronide liikuvuse, soojusjuhtivuse ja ribalaiuse poolest. 4H-SiC on suurema elektronide liikuvusega, muutes selle ideaalsemaks kõrgsageduslike ja suure{13}}võimsusega elektroonikaseadmete jaoks. Seda kasutatakse kõige laialdasemalt sellistes valdkondades nagu uued energiasõidukid ja 5G side ning praegused ränikarbiidi tootjad toodavad peamiselt 4H-SiC. 6H-SiC-d, millel on suurem ribalaius ja seetõttu toimib see paremini kõrgel{20}}temperatuuril ja kõrgel{21}}kiirgusega keskkondades.
SiC üksikkristallide kasvutehnoloogiad
Praegu on ränikarbiidi kristallide kasvatamiseks kasutatavad peamised tehnoloogiad füüsikaline aurutransport (PVT), kõrgtemperatuuriline keemiline aurustamine-sadestamine (HTCVD) ja top{1}}seemnelahuse kasvatamine (TSSG). Nende hulgas on PVT praegu Hiinas ja välismaal kõige küpsem ja kõige laialdasemalt kasutatav ränikarbiidi ühe-kristalli kasvatamise meetod.
Füüsikalise aurutranspordi (PVT) meetod
Füüsiline aurutransport (PVT) on laialdaselt levinud meetod SiC monokristallide kaubanduslikuks kasvatamiseks. See töötati välja Lely meetodil, mille Lely töötas välja 1955. aastal sublimatsiooniprotsessi kaudu. Kuid Lely meetod ei saa tõhusalt kontrollida ühe-kristalli kasvu. 1977. aastal kasutasid Tairov ja Tsvetkov esimestena seemnesublimatsiooni SiC monokristallide kasvatamiseks; seda meetodit nimetatakse ka "modifitseeritud Lely meetodiks" või PVT-meetodiks.
PVT puhul asetatakse seemnekristall grafiittiigli ülaossa ja kõrge -puhtusastmega SiC pulber selle põhja. Väljaspool tiigli on soojusisolatsioonikiht; induktsioonkuumutusspiraal on isolatsioonikihist väljaspool ja jahutusvesi on mähise sees. Tiigli sees, reguleerides temperatuuri ja temperatuurigradienti, muudetakse SiC pulber gaasiliseks ja transporditakse idukristallidesse, kus toimub kristallide kasv. PVT tooraineks on kõrge-puhtusastmega SiC pulber ja kasvutemperatuur on 2100–2500 kraadi. Praegu kasutavad mõned kodumaised ränikarbiidi tootjad seda meetodit oma peamise tootmismeetodina. Selle puudused on kõrge kasvutemperatuur, suur energiatarve ja kõrge hind; kasvanud kristallidel on palju defekte, mis mõjutavad seadme jõudlust ja kasutusiga.
Kuigi PVT SiC kasvutehnoloogia on juba väga küps, jäävad tegelikus tootmises alles järgmised probleemid: SiC monokristallide PVT kasvamisel tekivad kergesti polütüüpide üleminekud, mis viivad polükristalliliste inklusioonideni. Ühe polütüübi kontrollimine SiC kristallide kasvu ajal on keeruline probleem. Võttes näiteks peamised 4H-SiC monokristallid, mõjutavad ühe polütüübi stabiilset kasvu paljud tegurid, sealhulgas algkristallide polaarsus, kasvutemperatuur, kasvurõhk, auru-faasi Si/C suhe ja dopingu tüüp, mis tähendab, et SiC polütüübi täpne reguleerimine muutub keerulisemaks. Täpne temperatuuri reguleerimine ahjus SiC monokristallide PVT kasvu ajal on samuti endiselt suur väljakutse. Lisaks tugineb PVT gaasi transpordi- ja reaktsiooniprotsessidele kõrgetel temperatuuridel, mis seab kõrged nõudmised gaasivoolule, reaktsiooni kineetikale jne.
Kõrge{0}}temperatuuriline keemiline aurustamise-sadestamise (HTCVD) meetod
Kõrgtemperatuurilise keemilise aurustamise-sadestamise (HTCVD) meetodi puhul asetatakse SiC idukristall grafiidist tiiglisse. Silaan ja süsinik{2}}sisaldav lähtegaas kui tooraine sisenevad tiiglisse pidevalt läbi põhjareaktori. Seejärel pürolüüsub silaan otse Si klastriteks, mis reageerivad süsinikku -sisaldavas lähtegaasis sisalduvate süsivesinikega (CxHy), moodustades idukristalli all SiC monokristallid.
Võrreldes PVT-ga kasutab HTCVD kõrgema-puhtusastmega toormaterjale ja suudab kasvu ajal täpselt reguleerida tooraine etteandekiirust, C/Si suhet ja kasvutemperatuuri, luues seega kvaliteetsemaid SiC kristalle. Lisaks annab kandegaasi otsene pürolüüs HTCVD-le teiste meetoditega võrreldes suurema energiatõhususe ja kiire -kiire kandevgaas aitab pürolüüsi teel saadud klastritel jõuda SiC idukristallideni, nii et HTCVD kasvatab SiC kristalle kiiremini kui teised meetodid.
HTCVD-l on eelised, nagu kõrge kristallide kvaliteet, kiire kasvukiirus ja pidev söötmine. Kuna aga kasvuseadmed ja kõrge puhtusastmega-gaasid on kallid, on selle meetodi tootmiskulud kõrged ja selle turustamisprotsess on aeglane. Samas, SiC monokristallide HTCVD kasvus, kuna SiH4 ja C3H8 peavad kõrgel temperatuuril lagunema ja läbima erinevaid reaktsioone, enne kui lõpuks SiC seemnel kristallid kasvavad, tekib lähtegaasi liiga kiire lagunemise korral gaasi sisselaskeava ummistus; kui lähtegaas laguneb liiga aeglaselt, jääb reageerimata gaas gaasi väljalaskeavasse ja põhjustab ummistuse. See muudab HTCVD SiC ühe-kristalli kasvatamise seadmed suhteliselt ebastabiilseks. Lisaks on praegused uuringud HTCVD kohta ebapiisavad, protsess pole veel küps ning see on endiselt uurimis- ja arendustegevuse staadiumis, mistõttu ei kasutata ränikarbiidi monokristallide HTCVD kasvu tööstuses laialdaselt.
Parim-Külvilahuse kasvu (TSSG) meetod
Tipp-seemnelahuse kasvatamise (TSSG) meetodi puhul on räniallikaks räni sulam ja süsinikuallikaks kõrge -puhtusastmega grafiiditiigel. Alla 2000 kraadi on süsiniku lahustuvus räni sulatis alla 1%, mistõttu on raske saavutada ränikarbiidi kristallide kasvuks vajalikku Si:C=1:1 molaarsuhet. Isegi 2800 kraadi juures on süsiniku lahustuvus ränis vaid 19%. Seetõttu tuleb tegelikes vedelas faasis SiC kristallide kasvatamise katsetes lisada räbusti, et suurendada süsiniku lahustuvust kõrge temperatuuriga lahuses. Levinud voogude hulka kuuluvad Cr, Fe, Ti jne. Kristallide kasvu ajal lahustub grafiittiiglis olev süsinik järk-järgult sulatisse ja transporditakse läbi sulatise idukristallidesse, võimaldades pidevat süsiniku juurdevoolu. Reguleerides selliseid parameetreid nagu seemne/tiigli pöörlemiskiirus, temperatuuriväli ning voolu sagedus ja suurusjärk, moodustuvad sulatis sobivad temperatuurigradiendid, rõhugradiendid ja vooluväljad, nii et süsinikku saab transportida tiigli seinast seemnekristallidele. Kuid tegeliku kasvu korral on seemnekristall sageli lahustunud ja polükristalliline materjal sadestub tiigli seinale ja idukristallidele. Seetõttu tuleb kogu kristallide kasvuprotsessi vältel kasvuparameetreid kohandada, et hoida kogu süsteem sobivas dünaamilises tasakaalus, et oleks võimalik saavutada pidev kristallide kasv.
TSSG võib valmistada SiC kristalle pehmemates kasvutingimustes. Sellel on ka tehnilised omadused, nagu protsessiparameetrite dünaamiline ja täpne reguleerimine, läbimõõdu pidev suurenemine ja ühtlane kõrge p{1}}tüüpi doping. Sellest on saanud üks väga konkurentsivõimelisi uuenduslikke tehnoloogiaid madalate-kvaliteetsete ja kvaliteetsete SiC substraatide jaoks. Kuigi TSSG-l on SiC kristallide valmistamisel olulisi eeliseid, on sellel ka kõrged tehnilised barjäärid, mis peegelduvad peamiselt arvukates reguleerimist vajavates protsessiparameetrites; mis tahes sobimatu parameetri valik võib häirida dünaamilist tasakaalu kristallide kasvu ajal ja põhjustada tõsiseid makroskoopilisi defekte.