בתור-דור שלישי למוליכים למחצה, לסיליקון קרביד (SiC) יש תכונות חשמליות ותרמיות עדיפות על אלו של סיליקון, מה שהופך אותו לאחד החומרים האידיאליים לייצור התקני טמפרטורה- גבוהה,-תדירות גבוהה, הספק- גבוה ומתח גבוה-. SiC היא תרכובת המורכבת מסיליקון ופחמן. אטומי סיליקון ואטומי פחמן יוצרים מבנה טטרהדרלי. לגבישי SiC יש יותר מ-200 פוליטיפים ידועים, שנוצרים על ידי שכבות אטומיות סיליקון ושכבות אטומיות פחמן לסירוגין בדרכים שונות. הנפוצים ביותר הם 3C-SiC (מבנה מעוקב, או -SiC), 4H-SiC ו-6H-SiC (שניהם מבנים משוושים, או -SiC).
3C-SiC
3C-SiC הוא הפוליטייפ הפשוט ביותר של SiC ויש לו מבנה עקוב-מעוקב. במבנה זה, אטומי סיליקון ופחמן מסודרים בצורה ספציפית במרחב תלת-ממדי, ויוצרים מבנה גבישי סימטרי ביותר. בשל הסימטריה שלו, ל-3C-SiC יש מאפיינים אלקטרוניים ואופטיים גרועים יחסית וכיום נעשה בו שימוש מועט יחסית ביישומים מעשיים.
4H-SiC ו-6H-SiC
שלא כמו 3C-SiC, ל-4H-SiC ו-6H-SiC יש מבנים ארוזים משושה קרובים-. שני הפוליטיפים הללו עדיפים על 3C-SiC בניידות אלקטרונים, מוליכות תרמית ומרווח פס. 4H-SiC הוא בעל ניידות אלקטרונים גבוהה יותר, מה שהופך אותו לאידיאלי יותר עבור מכשירים אלקטרוניים בתדירות גבוהה-וגבוהה{{13}. הוא נמצא בשימוש הנפוץ ביותר בתחומים כגון רכבי אנרגיה חדשים ותקשורת 5G, ויצרני SiC נוכחיים מייצרים בעיקר 4H-SiC. 6H-ל-SiC יש פער פס גדול יותר ולכן מתפקד טוב יותר בסביבות-טמפרטורות גבוהות וקרינה-גבוהות.
טכנולוגיות צמיחה עבור גבישי SiC בודדים
נכון לעכשיו, הטכנולוגיות העיקריות המשמשות לצמיחת גבישי SiC כוללות הובלת אדים פיזית (PVT), תצהיר כימי בטמפרטורה- גבוהה (HTCVD) וצמיחת תמיסה-עליון (TSSG). ביניהם, PVT היא כיום שיטת הגידול הבוגרת והנפוצה ביותר של SiC -גביש אחד בסין ומחוצה לה.
שיטת הובלת אדים פיזית (PVT).
הובלת אדים פיזית (PVT) היא שיטה מאומצת לצמיחה מסחרית של גבישי SiC בודדים. הוא פותח משיטת Lely, אשר פותחה על ידי Lely בשנת 1955 באמצעות תהליך סובלימציה. עם זאת, שיטת Lely אינה יכולה לשלוט ביעילות על צמיחת גביש בודד-. בשנת 1977, Tairov ו-Tsvetkov היו הראשונים להשתמש בסובלימציה זרעית לגידול גבישי SiC בודדים; שיטה זו נקראת גם "שיטת Lely שונה" או שיטת PVT.
ב-PVT, גביש זרעים ממוקם בחלק העליון של כור היתוך גרפיט, ואבקת SiC בטוהר- גבוה ממוקם בתחתית. מחוץ לכור ההיתוך שכבת בידוד תרמי; סליל חימום אינדוקציה נמצא מחוץ לשכבת הבידוד, ומי קירור נמצאים בתוך הסליל. בתוך כור ההיתוך, על ידי שליטה בטמפרטורה ובשיפוע הטמפרטורה, אבקת ה-SiC מומרת למצב גזי ומועברת אל גביש הזרע, שם מתרחשת אז צמיחת גבישים. חומר הגלם עבור PVT הוא אבקת SiC בטוהר- גבוה, וטמפרטורת הגידול היא 2100 מעלות -2500 מעלות. נכון לעכשיו, כמה יצרני SiC מקומיים משתמשים בשיטה זו כשיטת הייצור המיינסטרים שלהם. החסרונות שלו הם טמפרטורת צמיחה גבוהה, צריכת חשמל גבוהה ועלות גבוהה; לקריסטלים הגדלים יש פגמים רבים, המשפיעים על ביצועי המכשיר וחיי השירות.
למרות שטכנולוגיית הגידול של PVT SiC כבר בשלה מאוד, הבעיות הבאות נותרות בייצור בפועל: בצמיחת PVT של גבישים בודדים של SiC, מתרחשים בקלות מעברי פולי-טיפוס, מה שמוביל לתכלילים פולי-גבישיים. שליטה בפוליטיפ בודד במהלך צמיחת גבישי SiC היא נושא מורכב. אם ניקח כדוגמה את גבישי SiC יחידים 4H-מיינסטרים, צמיחה יציבה של פולי טיפוס בודד מושפעת מגורמים רבים, כולל קוטביות גבישי זרעים, טמפרטורת צמיחה, לחץ צמיחה, יחס אדי-שלב Si/C וסוג סימום, מה שאומר שהוויסות המדויק של הפוליטייפ SiC הופך לקשה יותר. בקרת טמפרטורה מדויקת בכבשן במהלך צמיחת PVT של גבישי SiC בודדים נותרה גם היא אתגר עצום. בנוסף, PVT מסתמך על תהליכי הובלת גז ותגובה בטמפרטורות גבוהות, מה שמציב דרישות גבוהות לזרימת גז, קינטיקה של תגובה וכו'.
שיטת-בטמפרטורה כימית (HTCVD) גבוהה
בשיטת-הטמפרטורה הכימית (HTCVD), גביש זרעי SiC ממוקם בכור היתוך עשוי גרפיט. סילאן ופחמן-המכיל גז מבשר כחומרי גלם נכנסים ללא הרף לכור ההיתוך דרך כור תחתון. לאחר מכן, הסילאן עובר פירוליזציה ישירות לצבירי Si, אשר מגיבים עם פחמימנים (CxHy) בפחמן- המכיל גז מבשר ליצירת גביש בודד של SiC מתחת לגביש הזרע.
בהשוואה ל-PVT, HTCVD משתמש בחומרי גלם בטוהר- גבוה יותר ויכול לשלוט במדויק על קצב הזנת חומרי הגלם, יחס C/Si וטמפרטורת הצמיחה במהלך הצמיחה, ובכך לייצר גבישי SiC באיכות גבוהה יותר-. בנוסף, פירוליזה ישירה של גז הנשא מעניקה ל-HTCVD יעילות אנרגטית גבוהה יותר משיטות אחרות, וגז הנשא המהיר-מסייע לאשכולות המתקבלים בפירוליזה להגיע אל גביש הזרע של SiC, כך ש-HTCVD מגדל גבישי SiC מהר יותר משיטות אחרות.
ל-HTCVD יתרונות כגון איכות גביש גבוהה, קצב צמיחה מהיר והאכלה מתמשכת. עם זאת, מכיוון שציוד הגידול והגזים בעלי הטוהר הגבוה- יקרים, לשיטה זו יש עלויות ייצור גבוהות ותהליך המסחור שלה איטי. יחד עם זאת, ב-HTCVD גידול של גבישים בודדים של SiC, מכיוון ש-SiH4 ו-C3H8 חייבים להתפרק בטמפרטורה גבוהה ולעבור תגובות שונות לפני שלבסוף גדלים גבישים על זרע ה-SiC, אם גז המקור יתפרק מהר מדי, כניסת הגז תיחסם; אם גז המקור מתפרק לאט מדי, גז שלא מגיב יישאר ביציאת הגז ויגרום לחסימה. זה הופך את הציוד לגידול גבישי יחיד של HTCVD SiC-לבלתי יציב יחסית. בנוסף, המחקר הנוכחי על HTCVD אינו מספיק, התהליך עדיין לא בשל, והוא עדיין בשלב המו"פ, כך שגידול HTCVD של גבישי SiC בודדים אינו בשימוש נרחב בתעשייה.
מובילה-שיטת צמיחת פתרונות זרע (TSSG).
בשיטת גידול-תמיסת זרעים עליונה (TSSG), מקור הסיליקון הוא נמס סיליקון, ומקור הפחמן הוא כור גרפיט בטוהר- גבוה. מתחת ל-2000 מעלות, המסיסות של פחמן בהמסה של סיליקון היא פחות מ-1%, מה שמקשה להגיע ליחס המולרי Si:C=1:1 הנדרש לצמיחת גבישי SiC. אפילו ב-2800 מעלות, המסיסות של פחמן בסיליקון היא רק 19%. לכן, בניסויים בפועל של צמיחת גבישי SiC בשלב-נוזל, יש להוסיף כמה שטפים כדי להגביר את מסיסות הפחמן בתמיסה בטמפרטורה-גבוהה. השטפים הנפוצים כוללים Cr, Fe, Ti וכו'. במהלך צמיחת הגבישים, הפחמן בכור היתוך הגרפיט מתמוסס בהדרגה לתוך ההמסה ומועבר דרך ההיתוך אל גביש הזרע, מה שמאפשר אספקה רציפה של פחמן. על ידי שליטה בפרמטרים כגון מהירות סיבוב זרע/כור היתוך, שדה טמפרטורה ותדירות וגודל זרם, נוצרים שיפועים מתאימים, שיפועים לחץ ושדות זרימה בהמסה, כך שניתן להעביר פחמן מדופן כור ההיתוך אל גביש הזרע. עם זאת, בצמיחה בפועל, גביש הזרע מומס לעתים קרובות, וחומר רב גבישי משקע בדופן ההיתוך ובגביש הזרע. לכן, לאורך תהליך גדילת הגבישים, יש להתאים את פרמטרי הצמיחה כדי לשמור על כל המערכת בשיווי משקל דינמי מתאים, כך שניתן יהיה להשיג צמיחה מתמשכת של גבישים.
TSSG יכול להכין גבישי SiC בתנאי צמיחה מתונים יותר. יש לו גם תכונות טכניות כגון ויסות דינמי ומדויק של פרמטרי תהליך, גידול מתמשך של התרחבות קוטר וסימום גבוה אחיד מסוג p-. היא הפכה לאחת הטכנולוגיות החדשניות התחרותיות ביותר עבור מצעי SiC בעלות-נמוכה ובאיכות גבוהה-. למרות של-TSSG יש יתרונות משמעותיים בהכנת גבישי SiC, יש לו גם מחסומים טכניים גבוהים, הבאים לידי ביטוי בעיקר בפרמטרי התהליך הרבים שיש להסדיר; כל בחירת פרמטר לא הולמת עלולה לשבש את שיווי המשקל הדינמי במהלך צמיחת הגביש ולגרום לפגמים מקרוסקופיים חמורים.