Sebagai semikonduktor-generasi ketiga, silikon karbida (SiC) memiliki sifat listrik dan termal yang lebih unggul dibandingkan silikon, menjadikannya salah satu bahan ideal untuk membuat perangkat-bersuhu tinggi,-frekuensi,-daya tinggi, dan-tegangan tinggi. SiC adalah senyawa yang terdiri dari silikon dan karbon. Atom silikon dan atom karbon membentuk struktur tetrahedral. Kristal SiC memiliki lebih dari 200 politipe yang diketahui, yang dibentuk oleh lapisan atom silikon dan lapisan atom karbon secara bergantian dengan cara yang berbeda. Yang paling umum adalah 3C-SiC (struktur kubik, atau -SiC), 4H-SiC, dan 6H-SiC (keduanya struktur heksagonal, atau -SiC).
3C-SiC
3C-SiC adalah politipe SiC yang paling sederhana dan memiliki struktur paket rapat kubik. Dalam struktur ini, atom silikon dan karbon disusun secara spesifik dalam ruang tiga-dimensi, membentuk struktur kristal yang sangat simetris. Karena simetrinya, 3C-SiC memiliki sifat elektronik dan optik yang relatif buruk dan saat ini relatif sedikit digunakan dalam aplikasi praktis.
4H-SiC dan 6H-SiC
Berbeda dengan 3C-SiC, 4H-SiC dan 6H-SiC memiliki struktur rapat-heksagonal. Kedua politipe ini lebih unggul daripada 3C-SiC dalam hal mobilitas elektron, konduktivitas termal, dan celah pita. 4H-SiC memiliki mobilitas elektron yang lebih tinggi, sehingga lebih ideal untuk perangkat elektronik-frekuensi tinggi dan berdaya-tinggi. Ini paling banyak digunakan di bidang-bidang seperti kendaraan energi baru dan komunikasi 5G, dan produsen SiC saat ini terutama memproduksi 4H-SiC. 6H-SiC yang memiliki celah pita lebih besar sehingga berperforma lebih baik di lingkungan-suhu dan{21}}radiasi tinggi.
Teknologi Pertumbuhan untuk Kristal Tunggal SiC
Saat ini, teknologi utama yang digunakan untuk pertumbuhan kristal SiC mencakup transportasi uap fisik (PVT), deposisi uap kimia suhu tinggi (HTCVD), dan pertumbuhan solusi unggulan teratas (TSSG). Diantaranya, PVT saat ini merupakan metode pertumbuhan kristal-tunggal SiC yang paling matang dan paling banyak digunakan di Tiongkok dan luar negeri.
Metode Transportasi Uap Fisik (PVT).
Transportasi uap fisik (PVT) adalah metode yang diadopsi secara luas untuk pertumbuhan komersial kristal tunggal SiC. Dikembangkan dari metode Lely yang dikembangkan oleh Lely pada tahun 1955 melalui proses sublimasi. Namun, metode Lely tidak dapat mengontrol-pertumbuhan kristal tunggal secara efektif. Pada tahun 1977, Tairov dan Tsvetkov adalah orang pertama yang menggunakan sublimasi unggulan untuk menumbuhkan kristal tunggal SiC; metode ini disebut juga dengan “metode Lely yang dimodifikasi” atau metode PVT.
Dalam PVT, kristal benih ditempatkan di bagian atas wadah grafit, dan-bubuk SiC dengan kemurnian tinggi ditempatkan di bagian bawah. Di luar wadah terdapat lapisan isolasi termal; koil pemanas induksi berada di luar lapisan insulasi, dan air pendingin berada di dalam koil. Di dalam wadah, dengan mengontrol suhu dan gradien suhu, bubuk SiC diubah menjadi gas dan diangkut ke kristal benih, di mana kemudian terjadi pertumbuhan kristal. Bahan baku untuk PVT adalah-bubuk SiC dengan kemurnian tinggi, dan suhu pertumbuhannya adalah 2100 derajat –2500 derajat . Saat ini, beberapa produsen SiC dalam negeri menggunakan metode ini sebagai metode produksi utama mereka. Kerugiannya adalah suhu pertumbuhan yang tinggi, konsumsi daya yang tinggi, dan biaya yang tinggi; kristal yang tumbuh memiliki banyak cacat, yang memengaruhi kinerja perangkat dan masa pakai.
Meskipun teknologi pertumbuhan PVT SiC sudah sangat matang, permasalahan berikut masih ada dalam produksi sebenarnya: Dalam pertumbuhan PVT kristal tunggal SiC, transisi politipe mudah terjadi, yang mengarah ke inklusi polikristalin. Mengontrol satu politipe selama pertumbuhan kristal SiC adalah masalah yang kompleks. Dengan mengambil contoh kristal tunggal 4H-SiC yang umum, pertumbuhan stabil suatu politipe dipengaruhi oleh banyak faktor, termasuk polaritas kristal benih, suhu pertumbuhan, tekanan pertumbuhan, rasio-fasa uap Si/C, dan jenis doping, yang berarti bahwa pengaturan politipe SiC yang tepat menjadi lebih sulit. Kontrol suhu yang tepat dalam tungku selama pertumbuhan PVT kristal tunggal SiC juga masih merupakan tantangan besar. Selain itu, PVT mengandalkan transportasi gas dan proses reaksi pada suhu tinggi, sehingga menuntut aliran gas, kinetika reaksi, dan sebagainya.
Metode Deposisi Uap Kimia Suhu Tinggi (HTCVD).
Dalam metode{0}}deposisi uap kimia suhu tinggi (HTCVD), kristal benih SiC ditempatkan dalam wadah yang terbuat dari grafit. Silana dan karbon-mengandung gas prekursor sebagai bahan mentah secara terus-menerus memasuki wadah melalui reaktor bawah. Silana kemudian langsung dipirolisis menjadi gugus Si, yang bereaksi dengan hidrokarbon (CxHy) dalam karbon-yang mengandung gas prekursor untuk membentuk kristal tunggal SiC di bawah kristal benih.
Dibandingkan dengan PVT, HTCVD menggunakan-bahan mentah dengan kemurnian lebih tinggi dan dapat secara akurat mengontrol laju pengumpanan bahan mentah, rasio C/Si, dan suhu pertumbuhan selama pertumbuhan, sehingga menghasilkan kristal SiC berkualitas-lebih tinggi. Selain itu, pirolisis langsung gas pembawa memberikan HTCVD efisiensi energi yang lebih tinggi dibandingkan metode lainnya, dan gas pembawa berkecepatan tinggi membantu cluster yang diperoleh melalui pirolisis mencapai kristal benih SiC, sehingga HTCVD menumbuhkan kristal SiC lebih cepat dibandingkan metode lainnya.
HTCVD memiliki keunggulan seperti kualitas kristal yang tinggi, laju pertumbuhan yang cepat, dan feeding yang berkelanjutan. Namun, karena peralatan pertumbuhan dan-gas dengan kemurnian tinggi mahal, metode ini memiliki biaya produksi yang tinggi dan proses komersialisasinya lambat. Pada saat yang sama, dalam HTCVD pertumbuhan kristal tunggal SiC, karena SiH4 dan C3H8 harus terurai pada suhu tinggi dan mengalami berbagai reaksi sebelum akhirnya menumbuhkan kristal pada benih SiC, jika sumber gas terurai terlalu cepat, saluran masuk gas akan tersumbat; jika gas sumber terurai terlalu lambat, gas yang tidak bereaksi akan tertinggal di saluran keluar gas dan menyebabkan penyumbatan. Hal ini membuat peralatan pertumbuhan kristal tunggal HTCVD SiC-relatif tidak stabil. Selain itu, penelitian tentang HTCVD saat ini belum mencukupi, prosesnya belum matang, dan masih dalam tahap R&D, sehingga pertumbuhan kristal tunggal SiC HTCVD belum banyak digunakan di industri.
Metode-Pertumbuhan Solusi Unggulan (TSSG) Teratas
Dalam metode{0}}pertumbuhan solusi unggulan (TSSG), sumber silikon adalah lelehan silikon, dan sumber karbon adalah wadah grafit-kemurnian tinggi. Di bawah suhu 2000 derajat, kelarutan karbon dalam lelehan silikon kurang dari 1%, sehingga sulit mencapai rasio molar Si:C=1:1 yang diperlukan untuk pertumbuhan kristal SiC. Bahkan pada suhu 2800 derajat, kelarutan karbon dalam silikon hanya 19%. Oleh karena itu, dalam eksperimen pertumbuhan kristal SiC fase cair yang sebenarnya, beberapa fluks perlu ditambahkan untuk meningkatkan kelarutan karbon dalam larutan bersuhu tinggi. Fluks yang umum termasuk Cr, Fe, Ti, dll. Selama pertumbuhan kristal, karbon dalam wadah grafit secara bertahap larut ke dalam lelehan dan diangkut melalui lelehan ke kristal benih, memungkinkan pasokan karbon secara terus menerus. Dengan mengontrol parameter seperti kecepatan putaran benih/wadah, medan suhu, serta frekuensi dan besaran arus, gradien suhu, gradien tekanan, dan medan aliran yang sesuai terbentuk dalam lelehan, sehingga karbon dapat diangkut dari dinding wadah ke kristal benih. Namun, dalam pertumbuhan sebenarnya, kristal benih sering kali larut, dan bahan polikristalin mengendap di dinding wadah dan kristal benih. Oleh karena itu, sepanjang proses pertumbuhan kristal, parameter pertumbuhan harus disesuaikan untuk menjaga seluruh sistem dalam keseimbangan dinamis yang sesuai, sehingga pertumbuhan kristal berkelanjutan dapat dicapai.
TSSG dapat menyiapkan kristal SiC dalam kondisi pertumbuhan yang lebih ringan. Ia juga memiliki fitur teknis seperti pengaturan parameter proses yang dinamis dan tepat, pertumbuhan ekspansi diameter yang berkelanjutan, dan doping tipe p-tinggi yang seragam. Ini telah menjadi salah satu teknologi inovatif yang sangat kompetitif untuk substrat SiC-berbiaya rendah dan-berkualitas tinggi. Meskipun TSSG memiliki keuntungan yang signifikan dalam menyiapkan kristal SiC, TSSG juga memiliki hambatan teknis yang tinggi, terutama tercermin dalam berbagai parameter proses yang perlu diatur; setiap pilihan parameter yang tidak tepat dapat mengganggu keseimbangan dinamis selama pertumbuhan kristal dan menyebabkan cacat makroskopis yang parah.