第 3 世代半導体である炭化ケイ素 (SiC) は、シリコンよりも優れた電気的および熱的特性を備えており、高温、高周波、高出力、高電圧のデバイスを製造するのに理想的な材料の 1 つです。{{1}{0} SiCはシリコンと炭素から構成される化合物です。ケイ素原子と炭素原子は四面体構造を形成します。 SiC 結晶には 200 以上の既知のポリタイプがあり、シリコン原子層と炭素原子層をさまざまな方法で交互に配置することによって形成されます。最も一般的なのは、3C-SiC (立方晶構造、または -SiC)、4H-SiC、および 6H-SiC (両方とも六方晶構造、または -SiC) です。
3C-SiC
3C-SiC は最も単純な SiC ポリタイプであり、立方最密-構造を持っています。この構造では、シリコン原子と炭素原子が 3 次元空間に特定の方法で配置され、対称性の高い結晶構造を形成しています。 3C-SiC はその対称性により、電子的および光学的特性が比較的劣っており、現在、実用化にはほとんど使用されていません。
4H-SiCおよび6H-SiC
3C-SiCとは異なり、4H-SiCおよび6H-SiCは六方最密-構造を持っています。これら 2 つのポリタイプは、電子移動度、熱伝導率、バンドギャップにおいて 3C-SiC よりも優れています。. 4H-SiC は電子移動度が高いため、高周波および高出力の電子デバイスに最適です。-新エネルギー自動車や 5G 通信などの分野で最も広く使用されており、現在の SiC メーカーは主に 4H-SiC. 6H- を生産しています。SiC はバンドギャップが大きいため、高温-および高{21}}環境でより優れた性能を発揮します。
SiC単結晶の成長技術
現在、SiC 結晶成長に使用されている主な技術には、物理気相輸送 (PVT)、高温化学気相成長 (HTCVD)、トップシード溶液成長 (TSSG) などがあります。{0}{1}その中で、PVT は現在、中国および海外で最も成熟し、最も広く使用されている SiC 単結晶成長法です。-
物理的蒸気輸送 (PVT) 法
物理的蒸気輸送 (PVT) は、SiC 単結晶の商業的な成長に広く採用されている方法です。これは、1955 年に Lely によって昇華プロセスによって開発された Lely メソッドから発展しました。ただし、Lely 法では単結晶の成長を効果的に制御できません。- 1977 年、Tairov と Tsvetkov は初めてシード昇華法を使用して SiC 単結晶を成長させました。この方法は、「修正レリー法」または PVT 法とも呼ばれます。
PVT では、種結晶が黒鉛るつぼの上部に配置され、高純度の SiC 粉末が底部に配置されます。{0}るつぼの外側には断熱層があります。誘導加熱コイルは絶縁層の外側にあり、冷却水はコイルの内側にあります。るつぼ内では、温度と温度勾配を制御することにより、SiC粉末が気体状態に変換されて種結晶に輸送され、そこで結晶成長が起こります。 PVT の原料は高純度 SiC 粉末であり、成長温度は 2100 度～2500 度です。現在、国内の一部のSiCメーカーではこの方式が主流の製造方式となっています。その欠点は、成長温度が高い、消費電力が高い、コストが高いことです。成長した結晶には多くの欠陥があり、デバイスの性能と耐用年数に影響を与えます。
PVT SiC 成長技術はすでに非常に成熟していますが、実際の生産では次のような問題が残っています。 SiC 単結晶の PVT 成長では、ポリタイプ転移が容易に発生し、多結晶介在物が発生します。 SiC 結晶成長中に単一のポリタイプを制御することは複雑な問題です。主流の 4H- SiC 単結晶を例にとると、単一ポリタイプの安定した成長は、種結晶の極性、成長温度、成長圧力、気相 - 比、ドーピングの種類などの多くの要因の影響を受けるため、SiC ポリタイプの正確な制御がより困難になります。 SiC 単結晶の PVT 成長中の炉内の正確な温度制御も依然として大きな課題です。さらに、PVT は高温でのガス輸送および反応プロセスに依存しているため、ガスの流れや反応速度などに高い要求が課せられます。
高温化学蒸着 (HTCVD) 法
高温化学気相成長法 (HTCVD) では、SiC 種結晶がグラファイト製のるつぼに入れられます。原料としてのシランと炭素-を含む前駆体ガスは、底部反応器を通って連続的にるつぼに入ります。次に、シランは直接熱分解して Si クラスターになり、炭素-含有前駆体ガス中の炭化水素 (CxHy) と反応して種結晶の下に SiC 単結晶が形成されます。
PVT と比較して、HTCVD は高純度の原料を使用し、成長中の原料供給速度、C/Si 比、成長温度を正確に制御できるため、より高品質の SiC 結晶を生成できます。-さらに、キャリアガスの直接熱分解により、HTCVD は他の方法よりも高いエネルギー効率が得られ、高速キャリアガスにより、熱分解によって得られたクラスターが SiC 種結晶に到達するのが促進されるため、HTCVD は他の方法よりも速く SiC 結晶を成長させます。
HTCVD には、高い結晶品質、速い成長速度、連続供給などの利点があります。ただし、成長装置と高純度ガスが高価であるため、この方法の生産コストは高く、商業化プロセスは遅いです。-同時に、SiC単結晶のHTCVD成長では、最終的にSiCシード上に結晶を成長させる前に、SiH4とC3H8が高温で分解し、さまざまな反応を経る必要があるため、原料ガスの分解が速すぎるとガス入口が閉塞してしまいます。原料ガスの分解が遅すぎると、未反応のガスがガス出口に残り、詰まりの原因となります。このため、HTCVD SiC 単結晶成長装置は比較的不安定になります。-さらに、HTCVDに関する現在の研究は不十分であり、プロセスはまだ成熟しておらず、まだ研究開発段階にあるため、SiC単結晶のHTCVD成長は産業界で広く使用されていません。
トップ-シード ソリューション グロース（TSSG）メソッド
トップシード溶液成長（TSSG）法では、シリコン源はシリコン融液であり、炭素源は高純度黒鉛るつぼです。- 2000 度未満では、シリコン融液中の炭素の溶解度は 1% 未満となり、SiC 結晶成長に必要な Si:C=1:1 モル比に達することが困難になります。 2800 度でも、シリコン中の炭素の溶解度はわずか 19% です。したがって、実際の液相SiC結晶成長実験では、高温の溶液中での炭素の溶解度を高めるためにフラックスを追加する必要があります。一般的なフラックスには、Cr、Fe、Ti などが含まれます。結晶成長中、黒鉛るつぼ内の炭素は徐々に融液に溶解し、融液を通って種結晶に輸送され、炭素の継続的な供給が可能になります。種結晶/るつぼの回転速度、温度場、電流の周波数と大きさなどのパラメータを制御することにより、融液内に適切な温度勾配、圧力勾配、流れ場が形成され、炭素がるつぼの壁から種結晶に輸送されます。しかし、実際の成長においては、種結晶が溶解し、るつぼ壁や種結晶に多結晶材料が析出することが多い。したがって、結晶成長プロセス全体を通じて、システム全体を適切な動的平衡状態に保つように成長パラメータを調整し、連続的な結晶成長を達成する必要があります。
TSSG は、より穏やかな成長条件下で SiC 結晶を製造できます。また、プロセスパラメータの動的かつ正確な調整、連続的な直径拡大成長、均一な高p-型ドーピングなどの技術的特徴も備えています。これは、低コスト、高品質の SiC 基板を実現するための、競争力の高い革新的な技術の 1 つとなっています。- TSSG は SiC 結晶の製造において大きな利点を持っていますが、主に調整が必要な多数のプロセスパラメータに反映される高い技術的障壁もあります。不適切なパラメータを選択すると、結晶成長中の動的平衡が崩れ、重大な巨視的欠陥が発生する可能性があります。