Com a semiconductor de tercera-generació, el carbur de silici (SiC) té propietats elèctriques i tèrmiques superiors a les del silici, el que el converteix en un dels materials ideals per fabricar dispositius d'alta-temperatura, alta-freqüència, alta-potència i alt-tensió. SiC és un compost compost de silici i carboni. Els àtoms de silici i els àtoms de carboni formen una estructura tetraèdrica. Els cristalls de SiC tenen més de 200 politips coneguts, que es formen alternant capes atòmiques de silici i capes atòmiques de carboni de diferents maneres. Els més comuns són 3C-SiC (estructura cúbica o -SiC), 4H-SiC i 6H-SiC (ambdues estructures hexagonals, o -SiC).
3C-SiC
3C-SiC és el politip de SiC més simple i té una estructura cúbica tancada-. En aquesta estructura, els àtoms de silici i de carboni es disposen d'una manera específica en un espai tridimensional, formant una estructura cristal·lina altament simètrica. A causa de la seva simetria, el 3C-SiC té propietats electròniques i òptiques relativament pobres i actualment s'utilitza relativament poc en aplicacions pràctiques.
4H-SiC i 6H-SiC
A diferència del 3C-SiC, el 4H-SiC i el 6H-SiC tenen estructures tancades-hexagonals. Aquests dos politips són superiors al 3C-SiC en mobilitat d'electrons, conductivitat tèrmica i banda intercalada. 4H-SiC té una mobilitat electrònica més alta, la qual cosa el fa més ideal per a dispositius electrònics d'alta-freqüència i gran-potència. S'utilitza més en camps com ara els vehicles d'energia nova i les comunicacions 5G, i els fabricants actuals de SiC produeixen principalment 4H-SiC{. 6H{-SiC té un bandgap més gran i, per tant, té un millor rendiment en entorns d'alta-temperatura i-alta radiació.
Tecnologies de creixement per a cristalls individuals de SiC
Actualment, les principals tecnologies que s'utilitzen per al creixement de cristalls de SiC inclouen el transport físic de vapor (PVT), la deposició química de vapor -alta temperatura (HTCVD) i el creixement de la solució-superior (TSSG). Entre ells, el PVT és actualment el mètode de creixement d'un cristal·l-SiC més madur i més utilitzat a la Xina ia l'estranger.
Mètode de transport físic de vapor (PVT).
El transport físic de vapor (PVT) és un mètode àmpliament adoptat per al creixement comercial de cristalls simples de SiC. Es va desenvolupar a partir del mètode Lely, que va ser desenvolupat per Lely el 1955 mitjançant un procés de sublimació. Tanmateix, el mètode Lely no pot controlar de manera eficaç el creixement d'un-cristall. El 1977, Tairov i Tsvetkov van ser els primers a utilitzar la sublimació sembrada per fer créixer cristalls simples de SiC; aquest mètode també s'anomena "mètode Lely modificat" o mètode PVT.
En PVT, es col·loca un cristall de llavors a la part superior d'un gresol de grafit i a la part inferior es col·loca pols de SiC d'alta -puresa. A l'exterior del gresol hi ha una capa d'aïllament tèrmic; una bobina d'escalfament per inducció es troba fora de la capa d'aïllament i l'aigua de refrigeració es troba dins de la bobina. Dins del gresol, controlant el gradient de temperatura i temperatura, la pols de SiC es converteix en un estat gasós i es transporta al cristall de llavors, on es produeix el creixement del cristall. La matèria primera per a PVT és una pols de SiC d'alta -puresa i la temperatura de creixement és de 2100 graus -2500 graus. Actualment, alguns fabricants nacionals de SiC utilitzen aquest mètode com a mètode de producció principal. Els seus desavantatges són l'alta temperatura de creixement, un alt consum d'energia i un alt cost; els cristalls cultivats tenen molts defectes, que afecten el rendiment i la vida útil del dispositiu.
Tot i que la tecnologia de creixement de PVT SiC ja és molt madura, els problemes següents romanen en la producció real: En el creixement de PVT de cristalls simples de SiC, es produeixen fàcilment transicions de politips, donant lloc a inclusions policristalines. Controlar un únic politip durant el creixement del cristall de SiC és un problema complex. Prenent com a exemple els cristalls simples de 4H-SiC, el creixement estable d'un únic politip es veu afectat per molts factors, com ara la polaritat del cristall de llavors, la temperatura de creixement, la pressió de creixement, la relació Si/C en fase de vapor-i el tipus de dopatge, la qual cosa significa que la regulació precisa del politip de SiC es fa més difícil. El control precís de la temperatura al forn durant el creixement PVT de cristalls simples de SiC també continua sent un gran repte. A més, PVT es basa en processos de transport i reacció de gas a altes temperatures, la qual cosa imposa grans exigències al flux de gas, la cinètica de la reacció, etc.
Mètode de deposició de vapor químic a -alta temperatura (HTCVD).
En el mètode de deposició de vapor químic a -alta temperatura (HTCVD), es col·loca un cristall de llavors de SiC en un gresol fet de grafit. El silà i un gas precursor que conté carboni-com a matèries primeres entren contínuament al gresol a través d'un reactor inferior. Aleshores, el silà es pirolitza directament en cúmuls de Si, que reaccionen amb hidrocarburs (CxHy) del gas precursor que conté carboni-per formar un cristall únic de SiC per sota del cristall de llavors.
En comparació amb PVT, HTCVD utilitza matèries primeres de -puresa més alta i pot controlar amb precisió la velocitat d'alimentació de la matèria primera, la relació C/Si i la temperatura de creixement durant el creixement, produint així cristalls de SiC de més-qualitat. A més, la piròlisi directa del gas portador proporciona a HTCVD una eficiència energètica més alta que altres mètodes, i el gas portador d'alta velocitat -ajuda que els cúmuls obtinguts per piròlisi arribin al cristall de llavors de SiC, de manera que HTCVD fa créixer cristalls de SiC més ràpidament que altres mètodes.
HTCVD té avantatges com ara una alta qualitat de cristall, una velocitat de creixement ràpida i una alimentació contínua. Tanmateix, com que l'equip de creixement i els gasos d'alta-puresa són cars, aquest mètode té uns costos de producció elevats i el seu procés de comercialització és lent. Al mateix temps, en el creixement HTCVD de cristalls simples de SiC, perquè SiH4 i C3H8 s'han de descompondre a alta temperatura i experimentar diverses reaccions abans de fer créixer finalment cristalls a la llavor de SiC, si el gas d'origen es descompon massa ràpidament, l'entrada del gas es bloquejarà; si el gas d'origen es descompon massa lentament, el gas no reaccionat romandrà a la sortida del gas i provocarà un bloqueig. Això fa que l'equip de creixement d'un cristall-HTCVD SiC sigui relativament inestable. A més, la investigació actual sobre HTCVD és insuficient, el procés encara no està madur i encara es troba en l'etapa d'R + D, de manera que el creixement de HTCVD de cristalls individuals de SiC no s'utilitza àmpliament a la indústria.
Top-Mètode de creixement de la solució sembrada (TSSG).
En el mètode de creixement de la solució sembrada superior-(TSSG), la font de silici és una fosa de silici i la font de carboni és un gresol de grafit d'alta-puresa. Per sota dels 2000 graus, la solubilitat del carboni en la fosa de silici és inferior a l'1%, cosa que dificulta assolir la relació molar Si:C=1:1 necessària per al creixement del cristall de SiC. Fins i tot a 2800 graus, la solubilitat del carboni en silici és només del 19%. Per tant, en els experiments reals de creixement de cristalls de SiC en fase líquida-, s'han d'afegir alguns fluxos per augmentar la solubilitat del carboni a la solució a-alta temperatura. Els fluxos comuns inclouen Cr, Fe, Ti, etc. Durant el creixement del cristall, el carboni del gresol de grafit es dissol gradualment a la fosa i es transporta a través de la fosa fins al cristall de llavors, permetent un subministrament continu de carboni. Mitjançant el control de paràmetres com ara la velocitat de rotació de la llavor/gresol, el camp de temperatura i la freqüència i la magnitud actuals, es formen gradients de temperatura, gradients de pressió i camps de flux adequats a la fosa, de manera que el carboni es pugui transportar des de la paret del gresol fins al cristall de llavors. Tanmateix, en el creixement real, el cristall de llavor es dissol sovint i el material policristalí precipita a la paret del gresol i al cristall de la llavor. Per tant, durant tot el procés de creixement del cristall, s'han d'ajustar els paràmetres de creixement per mantenir tot el sistema en un equilibri dinàmic adequat, de manera que es pugui aconseguir un creixement continu del cristall.
TSSG pot preparar cristalls de SiC en condicions de creixement més suaus. També té característiques tècniques com ara la regulació dinàmica i precisa dels paràmetres del procés, el creixement continu de l'expansió del diàmetre i el dopatge uniforme d'alt tipus p-. S'ha convertit en una de les tecnologies innovadores altament competitives per a substrats de SiC de baix-cost i-alta qualitat. Tot i que el TSSG té avantatges importants en la preparació de cristalls de SiC, també té elevades barreres tècniques, reflectides principalment en els nombrosos paràmetres de procés que cal regular; qualsevol opció de paràmetre inadequada pot alterar l'equilibri dinàmic durant el creixement del cristall i provocar defectes macroscòpics greus.