ในฐานะเซมิคอนดักเตอร์รุ่นที่สาม- ซิลิคอนคาร์ไบด์ (SiC) มีคุณสมบัติทางไฟฟ้าและความร้อนเหนือกว่าซิลิคอน ทำให้เป็นหนึ่งในวัสดุในอุดมคติสำหรับการผลิตอุปกรณ์ที่มีอุณหภูมิสูง- ความถี่สูง - กำลัง-กำลังสูง และ-แรงดันไฟฟ้าสูง SiC เป็นสารประกอบที่ประกอบด้วยซิลิคอนและคาร์บอน อะตอมของซิลิคอนและอะตอมของคาร์บอนก่อตัวเป็นโครงสร้างจัตุรมุข ผลึก SiC มีโพลีไทป์ที่รู้จักมากกว่า 200 ชนิด ซึ่งเกิดขึ้นจากการสลับชั้นอะตอมของซิลิคอนและชั้นอะตอมของคาร์บอนในลักษณะที่แตกต่างกัน โดยทั่วไปคือ 3C-SiC (โครงสร้างลูกบาศก์หรือ -SiC), 4H-SiC และ 6H-SiC (ทั้งโครงสร้างหกเหลี่ยมหรือ -SiC)
3C-SiC
3C-SiC เป็น SiC polytype ที่ง่ายที่สุดและมีโครงสร้างแบบลูกบาศก์ปิด- ในโครงสร้างนี้ อะตอมของซิลิคอนและคาร์บอนถูกจัดเรียงในลักษณะเฉพาะในพื้นที่สามมิติ- ทำให้เกิดโครงสร้างผลึกที่มีความสมมาตรสูง เนื่องจากความสมมาตร 3C-SiC จึงมีคุณสมบัติทางอิเล็กทรอนิกส์และทางแสงค่อนข้างต่ำ และในปัจจุบันมีการใช้งานค่อนข้างน้อยในการใช้งานจริง
4H-SiC และ 6H-SiC
ต่างจาก 3C-SiC, 4H-SiC และ 6H-SiC มีโครงสร้างปิดแบบหกเหลี่ยม- โพลีไทป์ทั้งสองนี้เหนือกว่า 3C-SiC ในด้านการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอน การนำความร้อน และ bandgap. 4H-SiC มีการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนที่สูงกว่า ทำให้เหมาะอย่างยิ่งสำหรับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่มีความถี่สูงและ-กำลังสูง มีการใช้กันอย่างแพร่หลายในด้านต่างๆ เช่น ยานพาหนะพลังงานใหม่และการสื่อสาร 5G และผู้ผลิต SiC ในปัจจุบันส่วนใหญ่ผลิต 4H-SiC. 6H-SiC มีแถบความถี่ที่ใหญ่กว่า จึงทำงานได้ดีกว่าในสภาพแวดล้อมที่มีอุณหภูมิสูง-และ-รังสีสูง
เทคโนโลยีการเจริญเติบโตสำหรับผลึกเดี่ยว SiC
ในปัจจุบัน เทคโนโลยีหลักที่ใช้สำหรับการเติบโตของผลึก SiC ได้แก่ การขนส่งไอทางกายภาพ (PVT) การสะสมไอสารเคมีที่อุณหภูมิสูง (HTCVD) และ-การเติบโตของสารละลายเริ่มต้น (TSSG) ในบรรดาวิธีเหล่านี้ ปัจจุบัน PVT เป็นวิธีการเติบโตของผลึกเดี่ยว- SiC ที่ใช้กันอย่างแพร่หลายมากที่สุดและใช้กันอย่างแพร่หลายมากที่สุดในประเทศจีนและต่างประเทศ
วิธีการขนส่งไอทางกายภาพ (PVT)
การขนส่งไอทางกายภาพ (PVT) เป็นวิธีการที่ใช้กันอย่างแพร่หลายสำหรับการเติบโตเชิงพาณิชย์ของผลึกเดี่ยว SiC ได้รับการพัฒนาจากวิธี Lely ซึ่งพัฒนาโดย Lely ในปี 1955 โดยผ่านกระบวนการระเหิด อย่างไรก็ตาม วิธี Lely ไม่สามารถควบคุมการเติบโตของผลึกเดี่ยว-ได้อย่างมีประสิทธิภาพ ในปี 1977 Tairov และ Tsvetkov เป็นคนแรกที่ใช้การระเหิดด้วยเมล็ดเพื่อปลูกผลึกเดี่ยว SiC วิธีการนี้เรียกอีกอย่างว่า "วิธีแก้ไข Lely" หรือวิธี PVT
ใน PVT ผลึกเมล็ดจะถูกวางที่ด้านบนของเบ้าหลอมกราไฟท์ และวางผง SiC ที่มีความบริสุทธิ์สูง-ไว้ที่ด้านล่าง ด้านนอกเบ้าหลอมเป็นชั้นฉนวนกันความร้อน ขดลวดทำความร้อนแบบเหนี่ยวนำอยู่นอกชั้นฉนวน และน้ำหล่อเย็นอยู่ภายในขดลวด ภายในถ้วยใส่ตัวอย่าง ด้วยการควบคุมอุณหภูมิและการไล่ระดับของอุณหภูมิ ผง SiC จะถูกแปลงเป็นสถานะก๊าซและขนส่งไปยังผลึกเมล็ด ซึ่งทำให้เกิดการเติบโตของผลึก วัตถุดิบสำหรับ PVT คือผง SiC ที่มีความบริสุทธิ์สูง- และอุณหภูมิการเจริญเติบโตอยู่ที่ 2100 องศา –2500 องศา ปัจจุบันผู้ผลิต SiC ในประเทศบางรายใช้วิธีนี้เป็นวิธีการผลิตหลัก ข้อเสียคืออุณหภูมิการเติบโตสูง การใช้พลังงานสูง และต้นทุนสูง คริสตัลที่ปลูกแล้วมีข้อบกพร่องมากมาย ซึ่งส่งผลต่อประสิทธิภาพและอายุการใช้งานของอุปกรณ์
แม้ว่าเทคโนโลยีการเจริญเติบโตของ PVT SiC จะเติบโตเต็มที่แล้ว แต่ปัญหาต่อไปนี้ยังคงอยู่ในการผลิตจริง: ในการเติบโตของ PVT ของผลึกเดี่ยว SiC การเปลี่ยนผ่านของโพลีไทป์เกิดขึ้นได้ง่าย ซึ่งนำไปสู่การรวมคริสตัลไลน์เข้าด้วยกัน การควบคุมโพลีไทป์เดี่ยวระหว่างการเติบโตของผลึก SiC ถือเป็นปัญหาที่ซับซ้อน ยกตัวอย่างผลึกเดี่ยว SiC กระแสหลัก 4H- การเติบโตอย่างมั่นคงของโพลีไทป์เดี่ยวได้รับผลกระทบจากหลายปัจจัย รวมถึงขั้วของผลึกเมล็ด อุณหภูมิการเจริญเติบโต ความดันการเติบโต อัตราส่วนไอ-เฟส Si/C และประเภทยาสลบ ซึ่งหมายความว่าการควบคุมโพลีไทป์ SiC ที่แม่นยำจะยากขึ้น การควบคุมอุณหภูมิที่แม่นยำในเตาเผาระหว่างการเติบโตของ PVT ของผลึกเดี่ยว SiC ยังคงเป็นความท้าทายอย่างมาก นอกจากนี้ PVT ยังอาศัยกระบวนการขนส่งก๊าซและปฏิกิริยาที่อุณหภูมิสูง ซึ่งทำให้มีความต้องการการไหลของก๊าซ จลนศาสตร์ของปฏิกิริยา และอื่นๆ สูง
วิธีการสะสมไอสารเคมีที่อุณหภูมิสูง (HTCVD)
ในวิธีการสะสมไอสารเคมีที่อุณหภูมิสูง (HTCVD) -นั้น ผลึกเมล็ด SiC จะถูกใส่ในถ้วยใส่ตัวอย่างที่ทำจากกราไฟท์ ไซเลนและคาร์บอน-ที่มีก๊าซตั้งต้นเป็นวัตถุดิบจะเข้าสู่เบ้าหลอมอย่างต่อเนื่องผ่านเครื่องปฏิกรณ์ด้านล่าง จากนั้นไซเลนจะไพโรไลซ์ไปเป็นกระจุก Si โดยตรง ซึ่งทำปฏิกิริยากับไฮโดรคาร์บอน (CxHy) ในคาร์บอน-ที่มีก๊าซตั้งต้นอยู่และก่อตัวเป็นผลึกเดี่ยว SiC ใต้ผลึกเมล็ด
เมื่อเปรียบเทียบกับ PVT แล้ว HTCVD จะใช้วัตถุดิบที่มีความบริสุทธิ์สูงกว่า-และสามารถควบคุมอัตราการป้อนวัตถุดิบ อัตราส่วน C/Si และอุณหภูมิการเจริญเติบโตในระหว่างการเจริญเติบโตได้อย่างแม่นยำ ซึ่งส่งผลให้ได้-ผลึก SiC คุณภาพสูงขึ้น นอกจากนี้ ไพโรไลซิสโดยตรงของก๊าซพาหะทำให้ HTCVD มีประสิทธิภาพด้านพลังงานสูงกว่าวิธีอื่นๆ และก๊าซพาหะความเร็วสูง-ช่วยให้กระจุกที่ได้จากไพโรไลซิสไปถึงผลึกเมล็ด SiC ดังนั้น HTCVD จึงขยายผลึก SiC ได้เร็วกว่าวิธีอื่นๆ
HTCVD มีข้อดี เช่น คุณภาพผลึกสูง อัตราการเติบโตที่รวดเร็ว และการป้อนอย่างต่อเนื่อง อย่างไรก็ตาม เนื่องจากอุปกรณ์การเจริญเติบโตและก๊าซที่มีความบริสุทธิ์สูง-มีราคาแพง วิธีการนี้จึงมีต้นทุนการผลิตสูงและกระบวนการเชิงพาณิชย์ก็ช้า ในเวลาเดียวกัน ในการเจริญเติบโตของ HTCVD ของผลึกเดี่ยว SiC เนื่องจาก SiH4 และ C3H8 จะต้องสลายตัวที่อุณหภูมิสูงและเกิดปฏิกิริยาต่างๆ ก่อนที่จะเติบโตเป็นผลึกบนเมล็ด SiC ในที่สุด หากก๊าซแหล่งกำเนิดสลายตัวเร็วเกินไป ช่องก๊าซเข้าจะถูกปิดกั้น หากก๊าซต้นทางสลายตัวช้าเกินไป ก๊าซที่ไม่ทำปฏิกิริยาจะยังคงอยู่ที่ทางออกก๊าซและทำให้เกิดการอุดตัน ซึ่งทำให้อุปกรณ์การเจริญเติบโตแบบคริสตัลเดี่ยวของ HTCVD SiC- ค่อนข้างไม่เสถียร นอกจากนี้ การวิจัยในปัจจุบันเกี่ยวกับ HTCVD ยังไม่เพียงพอ กระบวนการยังไม่สมบูรณ์ และยังอยู่ในขั้นตอนการวิจัยและพัฒนา ดังนั้นการเติบโตของผลึกเดี่ยว SiC ของ HTCVD จึงไม่ได้ใช้กันอย่างแพร่หลายในอุตสาหกรรม
สุดยอด-วิธี Seeded Solution Growth (TSSG)
ในวิธี-วิธีการเติบโตของสารละลายเมล็ด (TSSG) ด้านบน แหล่งซิลิคอนคือซิลิคอนละลาย และแหล่งคาร์บอนคือ-ถ้วยใส่ตัวอย่างกราไฟท์ที่มีความบริสุทธิ์สูง ที่อุณหภูมิต่ำกว่า 2000 องศา ความสามารถในการละลายของคาร์บอนในซิลิคอนละลายน้อยกว่า 1% ซึ่งทำให้ยากต่อการบรรลุอัตราส่วน Si:C=1:1 ซึ่งจำเป็นสำหรับการเติบโตของผลึก SiC แม้ที่อุณหภูมิ 2,800 องศา ความสามารถในการละลายของคาร์บอนในซิลิคอนก็มีเพียง 19% เท่านั้น ดังนั้น ในการทดลองการเติบโตของผลึก SiC เฟส{11}}ของเหลวจริง จำเป็นต้องเติมฟลักซ์บางตัวเพื่อเพิ่มความสามารถในการละลายของคาร์บอนใน-สารละลายอุณหภูมิสูง ฟลักซ์ทั่วไปได้แก่ Cr, Fe, Ti ฯลฯ ในระหว่างการเจริญเติบโตของผลึก คาร์บอนในเบ้าหลอมกราไฟท์จะค่อยๆ ละลายไปเป็นสารหลอมละลาย และถูกส่งผ่านการหลอมไปยังผลึกเมล็ด ทำให้เกิดการจ่ายคาร์บอนอย่างต่อเนื่อง โดยการควบคุมพารามิเตอร์ต่างๆ เช่น ความเร็วในการหมุนของเมล็ดพืช/ถ้วยใส่ตัวอย่าง สนามอุณหภูมิ และความถี่และขนาดกระแส การไล่ระดับอุณหภูมิที่เหมาะสม การไล่ระดับความดัน และสนามการไหลจะเกิดขึ้นในการหลอมเหลว เพื่อให้สามารถขนส่งคาร์บอนจากผนังเบ้าหลอมไปยังผลึกเมล็ดพืชได้ อย่างไรก็ตาม ในการเติบโตจริง ผลึกเมล็ดมักจะละลาย และวัสดุโพลีคริสตัลไลน์จะตกตะกอนที่ผนังเบ้าหลอมและที่ผลึกเมล็ด ดังนั้นตลอดกระบวนการการเติบโตของคริสตัล จะต้องปรับพารามิเตอร์การเติบโตเพื่อรักษาทั้งระบบให้อยู่ในสมดุลไดนามิกที่เหมาะสม เพื่อให้สามารถบรรลุการเติบโตของคริสตัลอย่างต่อเนื่อง
TSSG สามารถเตรียมผลึก SiC ได้ภายใต้สภาวะการเติบโตที่ไม่รุนแรง นอกจากนี้ยังมีคุณลักษณะทางเทคนิค เช่น การควบคุมพารามิเตอร์กระบวนการแบบไดนามิกและแม่นยำ การขยายขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางอย่างต่อเนื่อง และการเติมชนิด p- สูงสม่ำเสมอ ได้กลายเป็นหนึ่งในเทคโนโลยีนวัตกรรมที่มีการแข่งขันสูงสำหรับซับสเตรต SiC คุณภาพสูง-ที่มีต้นทุนต่ำและมีคุณภาพสูง แม้ว่า TSSG จะมีข้อได้เปรียบที่สำคัญในการเตรียมผลึก SiC แต่ก็มีอุปสรรคทางเทคนิคในระดับสูง ซึ่งส่วนใหญ่สะท้อนให้เห็นในพารามิเตอร์กระบวนการจำนวนมากที่จำเป็นต้องได้รับการควบคุม การเลือกพารามิเตอร์ที่ไม่เหมาะสมอาจรบกวนสมดุลไดนามิกในระหว่างการเจริญเติบโตของผลึก และทำให้เกิดข้อบกพร่องในการมองเห็นด้วยตาเปล่าอย่างรุนแรง