Carbura de siliciu (SiC) este un material semiconductor compus cu bandă interzisă-largă, cu proprietăți fizice și chimice unice. Legăturile chimice C–Si și aranjamentul stratificat C–Si conferă SiC duritate ridicată, conductivitate termică ridicată și viteză mare de saturație, precum și o bandă interzisă largă și o putere mare a câmpului de defalcare. În ultimii ani, semiconductorii SiC au atras atenția pe scară largă în aplicațiile de înaltă-frecvență,-putere mare și dispozitive de dimensiuni mici, datorită caracteristicilor lor excelente ale materialelor.
Cristalele de SiC există în peste 200 de politipuri, dintre care 4H-SiC, 6H-SiC și 3C-SiC sunt cele mai comune. ‑SiC (politipuri hexagonale, reprezentate de 4H‑SiC și 6H‑SiC) are un proces de creștere matur și este utilizat pe scară largă în aplicații industriale. 4H‑SiC conține atât rețele hexagonale, cât și cubice, cu straturi duble dispuse în secvența ABCB–ABCB, dotându-l cu duritate mai mare și stabilitate termică numai C‑SiC{8}} politip), cu o structură cristalină asemănătoare cu cea a siliciului. Prezintă o conductivitate termică ultra-înaltă, o mobilitate mare a canalului și o densitate mai mică a stării defectelor la interfața SiO₂/3C-SiC, arătând un potențial remarcabil de aplicare.
Pentru a satisface cerințele aplicațiilor la scară largă în sectoare precum vehiculele cu energie nouă, solar fotovoltaic și generarea de energie eoliană, tehnologiile de creștere monocristal SiC de înaltă calitate, cu diametru mare și cu costuri reduse au devenit un punct cheie de cercetare și dezvoltare. În prezent, metodele de creștere a cristalelor de SiC utilizate în mod obișnuit includ transportul fizic al vaporilor (PVT), depunerea chimică în vapori la temperatură înaltă (HTCVD) și creșterea în soluție la temperatură înaltă (HTSG). Printre acestea, metoda PVT este relativ matură și a îndeplinit deja cerințele pentru producția la scară largă de monocristale SiC. Cu toate acestea, pe măsură ce cerințele pentru calitatea cristalului SiC și eficiența energetică cresc în diverse industrii, dezavantajele metodei PVT devin din ce în ce mai evidente. În primul rând, temperatura ridicată de creștere cerută de PVT duce la un consum și costuri semnificative de energie. În al doilea rând, monocristalele de SiC cultivate de PVT conțin defecte precum dislocații și microțevi, care afectează grav calitatea cristalului. Metoda HTCVD produce SiC cu puritate ridicată, permite controlul eficient al raportului atomic Si/C și permite furnizarea continuă de precursori de creștere. În plus, componentele curbate din grafit cu formă specială pot optimiza eficient transportul precursorilor și procesele de reacție chimică. Cu toate acestea, cerințele de temperatură ridicată și gaze speciale ale HTCVD cresc costul de producție al cristalelor de SiC.
În general, metoda HTSG oferă avantajele creșterii monocristalelor de SiC la temperaturi relativ mai scăzute în condiții de echilibru aproape termodinamic, iar în timpul procesului de creștere, defectele de dislocare din cristal pot fi transformate eficient. HTSG asigură o calitate ridicată a cristalului, reducând în același timp costurile de producție.
În creșterea monocristalelor de SiC prin metoda HTSG, selecția adecvată a fluxurilor este un factor cheie în îmbunătățirea eficienței și calității creșterii cristalelor de SiC. Alegerea elementelor de flux ar trebui să respecte aceste principii:
Solubilitate ridicată a carbonului: o capacitate ridicată de dizolvare a carbonului oferă un mediu de creștere a cristalelor mai stabil, iar temperatura de creștere relativ mai scăzută reduce efectiv costurile experimentale și consumul de energie.
Capacitate mare de transport de masă: Adăugarea de elemente de flux (metale de tranziție sau elemente de pământuri rare) scade vâscozitatea soluției și îmbunătățește curgerea acesteia, accelerând astfel transportul soluțiilor de carbon în soluție.
Umecabilitate bună cu SiC: Suprafața cristalului de sămânță trebuie să fie complet umezită când intră în contact cu soluția.
Abundent în natură și ușor disponibil.
Nu se formează faze stabile la temperatură înaltă, altele decât SiC la temperaturi ridicate.
Printre acestea, capacitatea de dizolvare a carbonului a elementelor de flux este deosebit de importantă, deoarece îmbunătățirea acestei capacități promovează și mai mult creșterea rapidă și de înaltă calitate a cristalelor. În metoda HTSG, sursa de carbon pentru creșterea monocristalului de SiC provine din creuzetul de grafit care conține soluția. Deoarece solubilitatea carbonului în siliciul topit este extrem de scăzută-doar 13% în punctul peritectic (3073 K)- și siliciul se vaporizează direct peste 2273 K, este necesar să adăugați alte elemente de tranziție sau elemente de pământuri rare la soluția de siliciu pentru a crește solubilitatea carbonului, permițând astfel creșterea rapidă și de înaltă calitate a cristalelor.