Fiind un semiconductor de a treia-generație, carbura de siliciu (SiC) are proprietăți electrice și termice superioare celor ale siliciului, ceea ce îl face unul dintre materialele ideale pentru fabricarea dispozitivelor de-temperatură înaltă, frecvență înaltă,-putere și tensiune înaltă-. SiC este un compus compus din siliciu și carbon. Atomii de siliciu și atomii de carbon formează o structură tetraedrică. Cristalele de SiC au peste 200 de politipuri cunoscute, care sunt formate prin alternarea straturilor atomice de siliciu și straturilor atomice de carbon în moduri diferite. Cele mai comune sunt 3C-SiC (structură cubică sau -SiC), 4H-SiC și 6H-SiC (ambele structuri hexagonale sau -SiC).
3C-SiC
3C-SiC este cel mai simplu politip de SiC și are o structură cubică apropiată-. În această structură, atomii de siliciu și de carbon sunt aranjați într-un mod specific în spațiul tri-dimensional, formând o structură cristalină foarte simetrică. Datorită simetriei sale, 3C-SiC are proprietăți electronice și optice relativ slabe și este utilizat în prezent relativ puțin în aplicații practice.
4H-SiC și 6H-SiC
Spre deosebire de 3C-SiC, 4H-SiC și 6H-SiC au structuri strânse-hexagonale. Aceste două politipuri sunt superioare 3C-SiC în mobilitatea electronilor, conductivitate termică și bandgap. 4H-SiC are o mobilitate mai mare a electronilor, ceea ce îl face mai ideal pentru dispozitivele electronice de-frecvență înaltă și de putere-înaltă. Este utilizat pe scară largă în domenii precum vehiculele cu energie nouă și comunicațiile 5G, iar producătorii actuali de SiC produc în principal 4H-SiC{. 6H{-SiC are un bandgap mai mare și, prin urmare, are performanțe mai bune în medii cu-temperatură ridicată și radiații ridicate-.
Tehnologii de creștere pentru cristale simple SiC
În prezent, principalele tehnologii utilizate pentru creșterea cristalelor de SiC includ transportul fizic al vaporilor (PVT), depunerea chimică de vapori la temperatură înaltă-(HTCVD) și creșterea-top-seeded solution (TSSG). Dintre acestea, PVT este în prezent cea mai matură și cea mai utilizată metodă de creștere a monocristalului SiC în China și în străinătate.
Metoda transportului fizic al vaporilor (PVT).
Transportul fizic al vaporilor (PVT) este o metodă larg adoptată pentru creșterea comercială a monocristalelor de SiC. A fost dezvoltată din metoda Lely, care a fost dezvoltată de Lely în 1955 printr-un proces de sublimare. Cu toate acestea, metoda Lely nu poate controla eficient creșterea-un singur cristal. În 1977, Tairov și Tsvetkov au fost primii care au folosit sublimarea însămânțată pentru a crește monocristale de SiC; această metodă este numită și „metoda Lely modificată” sau metoda PVT.
În PVT, un cristal de sămânță este plasat în partea de sus a unui creuzet de grafit, iar pulberea de SiC de înaltă{0}}puritate este plasată în partea de jos. În exteriorul creuzetului este un strat termoizolant; o bobină de încălzire prin inducție este în afara stratului de izolație, iar apa de răcire este în interiorul bobinei. În interiorul creuzetului, prin controlul temperaturii și gradientului de temperatură, pulberea de SiC este transformată într-o stare gazoasă și transportată în cristalul sămânță, unde are loc apoi creșterea cristalului. Materia primă pentru PVT este pulbere de-SiC de înaltă puritate, iar temperatura de creștere este de 2100 grade –2500 grade. În prezent, unii producători autohtoni de SiC folosesc această metodă ca metodă de producție principală. Dezavantajele sale sunt temperatura ridicată de creștere, consumul mare de energie și costul ridicat; cristalele crescute au multe defecte, care afectează performanța dispozitivului și durata de viață.
Deși tehnologia de creștere a PVT SiC este deja foarte matură, următoarele probleme rămân în producția actuală: În creșterea PVT a monocristalelor de SiC, apar cu ușurință tranzițiile politipului, ducând la incluziuni policristaline. Controlul unui singur politip în timpul creșterii cristalelor de SiC este o problemă complexă. Luând ca exemplu cristalele simple 4H-SiC, creșterea stabilă a unui singur politip este afectată de mulți factori, inclusiv polaritatea cristalului de semințe, temperatura de creștere, presiunea de creștere, raportul Si/C în faza de vapori-și tipul de dopaj, ceea ce înseamnă că reglarea precisă a politipului SiC devine mai dificilă. Controlul precis al temperaturii în cuptor în timpul creșterii PVT a monocristalelor de SiC rămâne, de asemenea, o provocare uriașă. În plus, PVT se bazează pe transportul gazului și procesele de reacție la temperaturi ridicate, ceea ce impune cerințe ridicate privind fluxul de gaz, cinetica reacției și așa mai departe.
Metoda de depunere în vapori chimici la temperatură înaltă (HTCVD).
În metoda-depunerii chimice în vapori la temperatură înaltă (HTCVD), un cristal seminal de SiC este plasat într-un creuzet din grafit. Silanul și un gaz precursor care conține carbon-ca materii prime intră continuu în creuzet printr-un reactor de fund. Apoi, silanul pirolizează direct în clustere de Si, care reacționează cu hidrocarburile (CxHy) din gazul precursor care conține carbon-, formând un monocristal de SiC sub cristalul sămânță.
În comparație cu PVT, HTCVD utilizează materii prime cu puritate mai mare-și poate controla cu precizie rata de alimentare a materiei prime, raportul C/Si și temperatura de creștere în timpul creșterii, producând astfel cristale de SiC de-mai bună calitate. În plus, piroliza directă a gazului purtător oferă HTCVD o eficiență energetică mai mare decât alte metode, iar gazul purtător de mare-viteză ajută clusterele obținute prin piroliză să ajungă la cristalul sămânță de SiC, astfel încât HTCVD crește cristale de SiC mai repede decât alte metode.
HTCVD are avantaje precum calitatea ridicată a cristalului, rata de creștere rapidă și hrănirea continuă. Cu toate acestea, deoarece echipamentele de creștere și gazele de-puritate ridicată sunt scumpe, această metodă are costuri de producție ridicate și procesul de comercializare este lent. În același timp, în creșterea HTCVD a monocristalelor de SiC, deoarece SiH4 și C3H8 trebuie să se descompună la temperatură ridicată și să sufere diverse reacții înainte de a crește în cele din urmă cristalele pe sămânța de SiC, dacă gazul sursă se descompune prea repede, intrarea gazului va deveni blocată; dacă gazul sursă se descompune prea lent, gazul nereacționat va rămâne la ieșirea de gaz și va cauza blocarea. Acest lucru face ca echipamentul de creștere cu un singur cristal-HTCVD SiC să fie relativ instabil. În plus, cercetările actuale privind HTCVD sunt insuficiente, procesul nu este încă matur și este încă în stadiul de cercetare și dezvoltare, astfel încât creșterea HTCVD a monocristalelor SiC nu este utilizată pe scară largă în industrie.
Top-Metoda de creștere a soluției semințe (TSSG).
În metoda de-creștere a soluției cu semințe superioare (TSSG), sursa de siliciu este o topitură de siliciu, iar sursa de carbon este un creuzet de grafit de-puritate ridicată. Sub 2000 de grade, solubilitatea carbonului în topitura de siliciu este mai mică de 1%, ceea ce face dificilă atingerea raportului molar Si:C=1:1 necesar pentru creșterea cristalelor de SiC. Chiar și la 2800 de grade, solubilitatea carbonului în siliciu este de numai 19%. Prin urmare, în experimentele reale de creștere a cristalelor de SiC în fază lichidă, trebuie adăugate unele fluxuri pentru a crește solubilitatea carbonului în soluția la temperatură înaltă. Fluxurile obișnuite includ Cr, Fe, Ti, etc. În timpul creșterii cristalelor, carbonul din creuzetul de grafit se dizolvă treptat în topitură și este transportat prin topitură la cristalul sămânță, permițând o aprovizionare continuă cu carbon. Prin controlul parametrilor cum ar fi viteza de rotație a semințelor/ creuzet, câmpul de temperatură și frecvența și magnitudinea curentului, în topitură se formează gradienți de temperatură, gradienți de presiune și câmpuri de curgere adecvate, astfel încât carbonul să poată fi transportat de la peretele creuzetului la cristalul sămânță. Cu toate acestea, în creșterea reală, cristalul de sămânță este adesea dizolvat, iar materialul policristalin precipită la peretele creuzetului și la cristalul de sămânță. Prin urmare, pe tot parcursul procesului de creștere a cristalelor, parametrii de creștere trebuie ajustați pentru a menține întregul sistem într-un echilibru dinamic adecvat, astfel încât să se poată obține o creștere continuă a cristalelor.
TSSG poate prepara cristale de SiC în condiții de creștere mai blânde. De asemenea, are caracteristici tehnice, cum ar fi reglarea dinamică și precisă a parametrilor procesului, creșterea continuă a expansiunii diametrului și dopajul uniform de tip p-înalt. A devenit una dintre tehnologiile inovatoare extrem de competitive pentru substraturi SiC cu costuri reduse,-de înaltă calitate. Deși TSSG are avantaje semnificative în prepararea cristalelor de SiC, are și bariere tehnice ridicate, reflectate în principal în numeroși parametri de proces care trebuie reglementați; orice alegere inadecvată a parametrilor poate perturba echilibrul dinamic în timpul creșterii cristalelor și poate provoca defecte macroscopice severe.