Bħala semikonduttur tat-tielet-ġenerazzjoni, il-karbur tas-silikon (SiC) għandu proprjetajiet elettriċi u termali superjuri għal dawk tas-silikon, li jagħmilha wieħed mill-materjali ideali għall-fabbrikazzjoni ta' apparati ta'-temperatura għolja, frekwenza-għola, qawwa-għola, u vultaġġ-għoli. SiC huwa kompost magħmul minn silikon u karbonju. L-atomi tas-silikon u l-atomi tal-karbonju jiffurmaw struttura tetrahedral. Il-kristalli tas-SiC għandhom aktar minn 200 politipi magħrufa, li huma ffurmati billi jalternaw saffi atomiċi tas-silikon u saffi atomiċi tal-karbonju b'modi differenti. L-aktar komuni huma 3C-SiC (struttura kubi, jew -SiC), 4H-SiC, u 6H-SiC (it-tnejn strutturi eżagonali, jew -SiC).
3C-SiC
3C-SiC huwa l-aktar politip sempliċi tas-SiC u għandu struttura kubica ppakkjata mill-qrib-. F'din l-istruttura, l-atomi tas-silikon u tal-karbonju huma rranġati b'mod speċifiku fi spazju tri-dimensjonali, li jiffurmaw struttura tal-kristall simetrika ħafna. Minħabba s-simetrija tiegħu, 3C-SiC għandu proprjetajiet elettroniċi u ottiċi relattivament fqar u bħalissa jintuża relattivament ftit f'applikazzjonijiet prattiċi.
4H-SiC u 6H-SiC
B'differenza minn 3C-SiC, 4H-SiC u 6H-SiC għandhom strutturi eżagonali ppakkjati mill-qrib-. Dawn iż-żewġ politipi huma superjuri għal 3C-SiC fil-mobilità tal-elettroni, konduttività termali, u bandgap. 4H-SiC għandu mobilità tal-elettroni ogħla, li jagħmilha aktar ideali għal apparati elettroniċi ta'{-frekwenza u-qawwa għolja. Jintuża l-aktar f'oqsma bħal vetturi tal-enerġija ġodda u komunikazzjonijiet 5G, u l-manifatturi attwali tas-SiC prinċipalment jipproduċu 4H-SiC. 6H{-SiC għandu bandgap akbar u għalhekk jaħdem aħjar f'ambjenti ta'-temperatura għolja u-radjazzjoni għolja.
Teknoloġiji tat-Tkabbir għal Kristalli Uniċi SiC
Fil-preżent, it-teknoloġiji ewlenin użati għat-tkabbir tal-kristalli SiC jinkludu trasport fiżiku tal-fwar (PVT), depożizzjoni ta' fwar kimiku b'temperatura għolja-(HTCVD), u tkabbir tas-soluzzjoni żerriegħa top-(TSSG). Fosthom, PVT bħalissa huwa l-aktar metodu ta 'tkabbir ta' kristall wieħed SiC matur u l-aktar użat fiċ-Ċina u barra.
Metodu tat-Trasport Fiżiku tal-Fwar (PVT).
It-trasport tal-fwar fiżiku (PVT) huwa metodu adottat b'mod wiesa 'għal tkabbir kummerċjali ta' kristalli singoli SiC. Ġie żviluppat mill-metodu Lely, li ġie żviluppat minn Lely fl-1955 permezz ta 'proċess ta' sublimazzjoni. Madankollu, il-metodu Lely ma jistax jikkontrolla b'mod effettiv it-tkabbir ta'-kristall wieħed. Fl-1977, Tairov u Tsvetkov kienu l-ewwel li użaw sublimazzjoni miżrugħa biex jikbru kristalli singoli SiC; dan il-metodu jissejjaħ ukoll "metodu Lely modifikat" jew metodu PVT.
F'PVT, kristall taż-żerriegħa jitqiegħed fil-parti ta' fuq ta' griġjol tal-grafita, u trab SiC ta'{0}}purità għolja jitqiegħed fil-qiegħ. Barra l-griġjol hemm saff ta 'insulazzjoni termali; coil tat-tisħin tal-induzzjoni huwa barra s-saff ta 'insulazzjoni, u l-ilma li jkessaħ huwa ġewwa l-coil. Ġewwa l-griġjol, billi tikkontrolla t-temperatura u l-gradjent tat-temperatura, it-trab tas-SiC jiġi kkonvertit fi stat gassuż u ttrasportat lejn il-kristall taż-żerriegħa, fejn imbagħad iseħħ it-tkabbir tal-kristall. Il-materja prima għall-PVT hija trab SiC ta 'purità għolja -, u t-temperatura tat-tkabbir hija 2100 grad -2500 grad. Fil-preżent, xi manifatturi domestiċi tas-SiC jużaw dan il-metodu bħala l-metodu ta 'produzzjoni mainstream tagħhom. L-iżvantaġġi tiegħu huma temperatura għolja ta 'tkabbir, konsum għoli ta' enerġija, u spiża għolja; il-kristalli mkabbra għandhom ħafna difetti, li jaffettwaw il-prestazzjoni tal-apparat u l-ħajja tas-servizz.
Għalkemm it-teknoloġija tat-tkabbir PVT SiC hija diġà matura ħafna, il-problemi li ġejjin jibqgħu fil-produzzjoni attwali: Fit-tkabbir PVT ta 'kristalli singoli SiC, it-tranżizzjonijiet tal-politip iseħħu faċilment, li jwasslu għal inklużjonijiet polikristallini. Il-kontroll ta 'politip wieħed waqt it-tkabbir tal-kristall SiC hija kwistjoni kumplessa. Meta wieħed jieħu l-kristalli singoli 4H-SiC mainstream bħala eżempju, it-tkabbir stabbli ta 'politip wieħed huwa affettwat minn ħafna fatturi, inklużi l-polarità tal-kristall taż-żerriegħa, it-temperatura tat-tkabbir, il-pressjoni tat-tkabbir, il-proporzjon Si/C tal-fażi tal-fwar-, u t-tip ta' doping, li jfisser li r-regolamentazzjoni preċiża tal-politip SiC issir aktar diffiċli. Kontroll preċiż tat-temperatura fil-forn matul it-tkabbir PVT ta 'kristalli singoli tas-SiC jibqa' wkoll sfida kbira. Barra minn hekk, PVT tiddependi fuq it-trasport tal-gass u l-proċessi ta 'reazzjoni f'temperaturi għoljin, li jqiegħed talbiet għoljin fuq il-fluss tal-gass, il-kinetika tar-reazzjoni, eċċ.
Metodu ta' -Deposizzjoni Kimika tal-Fwar ta' Temperatura Għolja (HTCVD).
Fil-metodu ta' -deposizzjoni kimika tal-fwar b'temperatura għolja (HTCVD), kristall taż-żerriegħa tas-SiC jitqiegħed fi griġjol magħmul mill-grafita. Silan u gass prekursur li fih il-karbonju- bħala materja prima jidħlu kontinwament fil-griġjol minn reattur tal-qiegħ. Is-silan imbagħad direttament pyrolyzes fi clusters Si, li jirreaġixxu ma 'idrokarburi (CxHy) fil-karbonju-gass prekursur li fih il-karbonju biex jiffurmaw kristall wieħed SiC taħt il-kristall taż-żerriegħa.
Meta mqabbel ma 'PVT, HTCVD juża materja prima ta' purità ogħla-u jista 'jikkontrolla b'mod preċiż ir-rata tal-għalf tal-materja prima, il-proporzjon C/Si, u t-temperatura tat-tkabbir waqt it-tkabbir, u b'hekk jipproduċi kristalli SiC ta' kwalità-ogħla. Barra minn hekk, il-piroliżi diretta tal-gass trasportatur tagħti HTCVD effiċjenza enerġetika ogħla minn metodi oħra, u l--gass trasportatur b'veloċità għolja jgħin lill-clusters miksuba mill-piroliżi jilħqu l-kristall taż-żerriegħa tas-SiC, sabiex HTCVD tikber kristalli SiC aktar malajr minn metodi oħra.
HTCVD għandu vantaġġi bħal kwalità għolja tal-kristall, rata ta 'tkabbir mgħaġġel, u tmigħ kontinwu. Madankollu, minħabba li t-tagħmir tat-tkabbir u l-gassijiet ta'-purità għolja huma għaljin, dan il-metodu għandu spejjeż ta' produzzjoni għoljin u l-proċess ta' kummerċjalizzazzjoni tiegħu huwa bil-mod. Fl-istess ħin, fit-tkabbir HTCVD ta 'kristalli singoli SiC, minħabba li SiH4 u C3H8 għandhom jiddekomponu f'temperatura għolja u jgħaddu minn diversi reazzjonijiet qabel ma finalment jikbru kristalli fuq iż-żerriegħa SiC, jekk il-gass tas-sors jiddekomponi malajr wisq, id-daħla tal-gass se ssir imblukkata; jekk il-gass tas-sors jiddekomponi bil-mod wisq, il-gass mhux reazzjoni se jibqa 'fl-iżbokk tal-gass u jikkawża imblukkar. Dan jagħmel it-tagħmir tat-tkabbir ta' kristall wieħed HTCVD SiC-relattivament instabbli. Barra minn hekk, ir-riċerka attwali dwar HTCVD mhix biżżejjed, il-proċess għadu mhux matur, u għadu fl-istadju ta 'R&D, għalhekk it-tkabbir ta' HTCVD ta 'kristalli singoli SiC mhuwiex użat ħafna fl-industrija.
Top-Metodu tat-Tkabbir tas-Soluzzjoni Miżrugħa (TSSG).
Fil-metodu tat-tkabbir tas-soluzzjoni żerriegħa top-(TSSG), is-sors tas-silikon huwa tidwib tas-silikon, u s-sors tal-karbonju huwa griġjol tal-grafita ta'-purità għolja. Taħt l-2000 grad, is-solubilità tal-karbonju fit-tidwib tas-silikon hija inqas minn 1%, li jagħmilha diffiċli biex tilħaq il-proporzjon molari Si:C=1:1 meħtieġ għat-tkabbir tal-kristall SiC. Anke f'2800 grad, is-solubilità tal-karbonju fis-silikon hija biss 19%. Għalhekk, f'esperimenti attwali ta' tkabbir tal-kristalli SiC tal-fażi likwidu-, jeħtieġ li jiżdiedu xi flussi biex tiżdied is-solubilità tal-karbonju fis-soluzzjoni ta'-temperatura għolja. Flussi komuni jinkludu Cr, Fe, Ti, eċċ. Matul it-tkabbir tal-kristall, il-karbonju fil-griġjol tal-grafita jinħall gradwalment fit-tidwib u jiġi ttrasportat mit-tidwib lejn il-kristall taż-żerriegħa, li jippermetti provvista kontinwa ta 'karbonju. Billi tikkontrolla parametri bħall-veloċità tar-rotazzjoni taż-żerriegħa/griġjol, il-kamp tat-temperatura, u l-frekwenza u l-kobor tal-kurrent, gradjenti ta 'temperatura xierqa, gradjenti ta' pressjoni u kampijiet tal-fluss huma ffurmati fit-tidwib, sabiex il-karbonju jista 'jiġi ttrasportat mill-ħajt tal-griġjol għall-kristall taż-żerriegħa. Madankollu, fit-tkabbir attwali, il-kristall taż-żerriegħa spiss jinħall, u l-materjal polikristallin jippreċipita fil-ħajt tal-griġjol u fil-kristall taż-żerriegħa. Għalhekk, matul il-proċess tat-tkabbir tal-kristall, il-parametri tat-tkabbir għandhom jiġu aġġustati biex iżommu s-sistema kollha f'ekwilibriju dinamiku xieraq, sabiex ikun jista 'jinkiseb tkabbir kontinwu tal-kristall.
TSSG jista 'jipprepara kristalli SiC taħt kundizzjonijiet ta' tkabbir aktar ħfief. Għandu wkoll karatteristiċi tekniċi bħal regolazzjoni dinamika u preċiża tal-parametri tal-proċess, tkabbir kontinwu ta 'espansjoni tad-dijametru, u doping uniformi għoli ta' p-tip. Saret waħda mit-teknoloġiji innovattivi kompetittivi ħafna għal sottostrati SiC ta'-spejjeż baxxi, ta'-kwalità għolja. Għalkemm TSSG għandu vantaġġi sinifikanti fil-preparazzjoni tal-kristalli SiC, għandu wkoll ostakoli tekniċi għoljin, prinċipalment riflessi fil-bosta parametri tal-proċess li jeħtieġ li jiġu regolati; kwalunkwe għażla ta' parametru mhux xierqa tista' tfixkel l-ekwilibriju dinamiku waqt it-tkabbir tal-kristall u tikkawża difetti makroskopiċi severi.