کاربید سیلیکون (SiC) به‌عنوان یک نیمه‌رسانای نسل سوم، دارای خواص الکتریکی و حرارتی برتر از سیلیکون است که آن را به یکی از مواد ایده‌آل برای ساخت دستگاه‌های با دمای{1}، فرکانس بالا، توان بالا و ولتاژ بالا تبدیل می‌کند. SiC ترکیبی است که از سیلیکون و کربن تشکیل شده است. اتم های سیلیکون و اتم های کربن یک ساختار چهار وجهی را تشکیل می دهند. بلورهای SiC بیش از 200 نوع پلی‌تیپ شناخته شده دارند که از طریق متناوب لایه‌های اتمی سیلیکون و لایه‌های اتمی کربن به روش‌های مختلف تشکیل می‌شوند. رایج ترین آنها 3C{11}}SiC (ساختار مکعبی، یا -SiC)، 4H{14}}SiC، و 6H{16}}SiC (هر دو ساختار شش ضلعی، یا -SiC) هستند.
3C-SiC
3C-SiC ساده‌ترین نوع SiC است و ساختار بسته مکعبی- دارد. در این ساختار، اتم‌های سیلیکون و کربن به روشی خاص در فضای سه‌بعدی قرار گرفته‌اند و ساختار بلوری بسیار متقارن را تشکیل می‌دهند. به دلیل تقارن آن، 3C-SiC دارای خواص الکترونیکی و نوری نسبتا ضعیفی است و در حال حاضر نسبتاً کمی در کاربردهای عملی استفاده می‌شود.
4H-SiC و 6H-SiC
برخلاف 3C-SiC، 4H-SiC و 6H-SiC ساختارهای بسته-شش ضلعی دارند. این دو نوع پلی‌تیپ از نظر تحرک الکترون، هدایت حرارتی و فاصله باند بر 3C-SiC برتر هستند{10}}H{11}}SiC دارای تحرک الکترون بالاتری است که آن را برای دستگاه‌های الکترونیکی با فرکانس بالا و{13}بالا{13} ایده‌آل‌تر می‌کند. بیشتر در زمینه‌هایی مانند وسایل نقلیه انرژی جدید و ارتباطات 5G استفاده می‌شود، و تولیدکنندگان فعلی SiC عمدتاً 4H{17}}SiC. 6H{19}}SiC دارای فاصله باند بزرگ‌تری است و بنابراین در محیط‌های{20}}در دمای بالا و{21}پرتابش عملکرد بهتری دارد.
فناوری های رشد برای تک بلورهای SiC
در حال حاضر، فن‌آوری‌های اصلی مورد استفاده برای رشد کریستال SiC شامل انتقال فیزیکی بخار (PVT)، رسوب‌دهی بخار شیمیایی در دمای بالا (HTCVD) و رشد محلول بذری بالا (TSSG) است. در میان آنها، PVT در حال حاضر بالغ ترین و پرکاربردترین روش رشد تک کریستالی SiC در چین و خارج از کشور است.
روش انتقال بخار فیزیکی (PVT).
انتقال بخار فیزیکی (PVT) یک روش به طور گسترده برای رشد تجاری تک بلورهای SiC است. این روش از روش Lely که توسط Lely در سال 1955 از طریق یک فرآیند تصعید توسعه داده شد، توسعه یافت. با این حال، روش Lely نمی تواند به طور موثر رشد تک بلوری را کنترل کند. در سال 1977، Tairov و Tsvetkov اولین کسانی بودند که از تصعید بذر برای رشد تک بلورهای SiC استفاده کردند. به این روش "روش Lely اصلاح شده" یا روش PVT نیز می گویند.
در PVT، یک کریستال بذر در بالای یک بوته گرافیتی قرار می‌گیرد و پودر SiC با خلوص بالا- در پایین قرار می‌گیرد. در خارج از بوته یک لایه عایق حرارتی وجود دارد. یک سیم پیچ گرمایش القایی در خارج از لایه عایق قرار دارد و آب خنک کننده در داخل کویل قرار دارد. در داخل بوته، با کنترل درجه حرارت و گرادیان دما، پودر SiC به حالت گازی تبدیل شده و به کریستال بذر منتقل می شود، جایی که رشد کریستال رخ می دهد. ماده خام PVT پودر SiC با خلوص بالا-و دمای رشد 2100-2500 درجه است. در حال حاضر برخی از تولیدکنندگان داخلی SiC از این روش به عنوان روش اصلی تولید خود استفاده می کنند. معایب آن دمای رشد بالا، مصرف برق بالا و هزینه بالا است. کریستال های رشد یافته دارای عیوب بسیاری هستند که بر عملکرد دستگاه و عمر مفید آن تأثیر می گذارد.
اگرچه فناوری رشد PVT SiC در حال حاضر بسیار بالغ است، مشکلات زیر در تولید واقعی باقی می‌ماند: در رشد PVT تک کریستال‌های SiC، انتقال پلی‌تایپ به راحتی رخ می‌دهد که منجر به آخال‌های پلی کریستالی می‌شود. کنترل یک پلی تایپ منفرد در طول رشد کریستال SiC یک مسئله پیچیده است. با در نظر گرفتن جریان اصلی تک بلورهای 4H{3}}SiC به عنوان مثال، رشد پایدار یک پلی‌تیپ تحت تأثیر عوامل زیادی از جمله قطبیت کریستال دانه، دمای رشد، فشار رشد، نسبت Si/C فاز بخار و نوع دوپینگ قرار می‌گیرد، که به این معنی است که تنظیم دقیق پلی‌تیپ SiC دشوارتر می‌شود. کنترل دقیق دما در کوره در طول رشد PVT تک بلورهای SiC نیز یک چالش بزرگ باقی مانده است. علاوه بر این، PVT به انتقال گاز و فرآیندهای واکنش در دماهای بالا متکی است، که تقاضاهای زیادی را برای جریان گاز، سینتیک واکنش و غیره ایجاد می کند.
روش رسوب بخار شیمیایی در دمای بالا (HTCVD).
در روش رسوب بخار شیمیایی در دمای بالا (HTCVD)، یک کریستال دانه SiC در یک بوته ساخته شده از گرافیت قرار می گیرد. سیلان و یک کربن{2} حاوی گاز پیش ساز به عنوان مواد خام به طور مداوم از طریق یک راکتور پایین وارد بوته می شوند. سپس سیلان مستقیماً به خوشه‌های Si تبدیل می‌شود که با هیدروکربن‌های (CxHy) موجود در کربن{4} حاوی گاز پیش‌ساز واکنش می‌دهند و یک بلور SiC را در زیر کریستال دانه تشکیل می‌دهند.
در مقایسه با PVT، HTCVD از مواد خام{0} با خلوص بالاتر استفاده می‌کند و می‌تواند نرخ خوراک مواد خام، نسبت C/Si، و دمای رشد را در طول رشد به دقت کنترل کند، بنابراین کریستال‌های SiC با کیفیت‌تر- تولید می‌کند. علاوه بر این، تجزیه مستقیم گاز حامل به HTCVD بازده انرژی بالاتری نسبت به روش‌های دیگر می‌دهد، و گاز حامل با سرعت بالا به خوشه‌های به‌دست‌آمده از تجزیه در اثر حرارت کمک می‌کند تا به کریستال دانه SiC برسند، بنابراین HTCVD کریستال‌های SiC را سریع‌تر از روش‌های دیگر رشد می‌دهد.
HTCVD مزایایی مانند کیفیت کریستال بالا، سرعت رشد سریع و تغذیه مداوم دارد. با این حال، از آنجا که تجهیزات رشد و گازهای{1} با خلوص بالا گران هستند، این روش هزینه تولید بالایی دارد و روند تجاری سازی آن کند است. در عین حال، در رشد HTCVD تک بلورهای SiC، چون SiH4 و C3H8 باید در دمای بالا تجزیه شوند و قبل از رشد بلورها روی دانه SiC، واکنش‌های مختلفی را متحمل شوند، اگر گاز منبع خیلی سریع تجزیه شود، ورودی گاز مسدود می‌شود. اگر گاز منبع خیلی آهسته تجزیه شود، گاز واکنش نداده در خروجی گاز باقی می ماند و باعث انسداد می شود. این باعث می شود که تجهیزات رشد تک کریستالی HTCVD SiC نسبتاً ناپایدار باشد. علاوه بر این، تحقیقات فعلی در مورد HTCVD کافی نیست، فرآیند هنوز بالغ نشده است، و هنوز در مرحله تحقیق و توسعه است، بنابراین رشد HTCVD تک بلورهای SiC به طور گسترده در صنعت استفاده نمی شود.
بالا-روش رشد محلول بذر (TSSG).
در روش{0}}رشد محلول بذری (TSSG)، منبع سیلیکون یک مذاب سیلیکونی است و منبع کربن یک بوته-گرافیت با خلوص بالا است. زیر 2000 درجه، حلالیت کربن در مذاب سیلیکون کمتر از 1٪ است، رسیدن به نسبت مولی Si:C=1:1 مورد نیاز برای رشد کریستال SiC را دشوار می‌کند. حتی در 2800 درجه، حلالیت کربن در سیلیکون تنها 19٪ است. بنابراین، در آزمایش‌های واقعی رشد بلورهای SiC در فاز مایع، باید مقداری شار برای افزایش حلالیت کربن در محلول با دمای بالا اضافه شود. شارهای رایج شامل کروم، آهن، تیتانیم و غیره است. در طول رشد کریستال، کربن موجود در بوته گرافیتی به تدریج در مذاب حل می شود و از طریق مذاب به کریستال بذر منتقل می شود و امکان عرضه مداوم کربن را فراهم می کند. با کنترل پارامترهایی مانند سرعت چرخش بذر/ بوته، میدان دما و فرکانس و بزرگی جریان، گرادیان های دمایی، گرادیان فشار و میدان های جریان مناسب در مذاب تشکیل می شود تا کربن از دیواره بوته به کریستال بذر منتقل شود. با این حال، در رشد واقعی، کریستال دانه اغلب حل می شود و مواد پلی کریستالی در دیواره بوته و در کریستال دانه رسوب می کنند. بنابراین، در طول فرآیند رشد کریستال، پارامترهای رشد باید تنظیم شوند تا کل سیستم در یک تعادل دینامیکی مناسب حفظ شود، به طوری که رشد کریستال پیوسته حاصل شود.
TSSG می تواند کریستال های SiC را در شرایط رشد ملایم تر آماده کند. همچنین دارای ویژگی‌های فنی مانند تنظیم پویا و دقیق پارامترهای فرآیند، رشد پیوسته انبساط قطر، و دوپینگ یکنواخت از نوع P{1}}بالا است. این به یکی از فن‌آوری‌های نوآورانه بسیار رقابتی برای بسترهای SiC-کم هزینه و-کیفیت بالا تبدیل شده است. اگرچه TSSG مزایای قابل توجهی در تهیه بلورهای SiC دارد، اما موانع فنی بالایی نیز دارد که عمدتاً در پارامترهای فرآیند متعددی که نیاز به تنظیم دارند منعکس می شود. هر انتخاب پارامتر نامناسب ممکن است تعادل دینامیکی را در طول رشد کریستال مختل کند و باعث نقص های ماکروسکوپی شدید شود.