Essendo un semiconduttore di terza-generazione, il carburo di silicio (SiC) ha proprietà elettriche e termiche superiori a quelle del silicio, rendendolo uno dei materiali ideali per la fabbricazione di dispositivi ad alta-temperatura, alta-frequenza, alta-potenza e alta-tensione. Il SiC è un composto composto da silicio e carbonio. Gli atomi di silicio e gli atomi di carbonio formano una struttura tetraedrica. I cristalli di SiC hanno più di 200 politipi conosciuti, che sono formati alternando strati atomici di silicio e strati atomici di carbonio in modi diversi. I più comuni sono 3C-SiC (struttura cubica, o -SiC), 4H-SiC e 6H-SiC (entrambe strutture esagonali, o -SiC).
3C-SiC
3C-SiC è il politipo SiC più semplice e ha una struttura cubica chiusa-impacchettata. In questa struttura, gli atomi di silicio e di carbonio sono disposti in modo specifico nello spazio tridimensionale, formando una struttura cristallina altamente simmetrica. A causa della sua simmetria, il 3C-SiC ha proprietà elettroniche e ottiche relativamente scarse ed è attualmente utilizzato relativamente poco nelle applicazioni pratiche.
4H-SiC e 6H-SiC
A differenza del 3C-SiC, il 4H-SiC e il 6H-SiC hanno strutture esagonali chiuse-impacchettate. Questi due politipi sono superiori al 3C-SiC in termini di mobilità degli elettroni, conduttività termica e gap di banda.. 4H-Il SiC ha una maggiore mobilità degli elettroni, il che lo rende più ideale per dispositivi elettronici ad alta-frequenza e ad alta-potenza. È ampiamente utilizzato in campi come i veicoli di nuova energia e le comunicazioni 5G, e gli attuali produttori di SiC producono principalmente 4H-SiC. 6H-Il SiC ha un bandgap più ampio e quindi offre prestazioni migliori in ambienti ad alta-temperatura e ad alta-radiazioni.
Tecnologie di crescita per cristalli singoli SiC
Al momento, le principali tecnologie utilizzate per la crescita dei cristalli di SiC includono il trasporto fisico del vapore (PVT), la deposizione chimica in fase vapore ad alta-temperatura (HTCVD) e la crescita della soluzione-seminata (TSSG). Tra questi, il PVT è attualmente il metodo di crescita a cristallo singolo SiC più maturo e più utilizzato in Cina e all'estero.
Metodo del trasporto fisico del vapore (PVT).
Il trasporto fisico del vapore (PVT) è un metodo ampiamente adottato per la crescita commerciale dei singoli cristalli di SiC. È stato sviluppato dal metodo Lely, sviluppato da Lely nel 1955 attraverso un processo di sublimazione. Tuttavia, il metodo Lely non è in grado di controllare efficacemente la crescita del singolo-cristallo. Nel 1977, Tairov e Tsvetkov furono i primi a utilizzare la sublimazione dei semi per coltivare cristalli singoli di SiC; questo metodo è anche chiamato “metodo Lely modificato” o metodo PVT.
Nel PVT, un cristallo iniziale viene posizionato nella parte superiore di un crogiolo di grafite e la polvere di SiC ad elevata purezza-viene posizionata nella parte inferiore. All'esterno del crogiolo è presente uno strato di isolamento termico; una serpentina di riscaldamento a induzione si trova all'esterno dello strato isolante e l'acqua di raffreddamento si trova all'interno della serpentina. All'interno del crogiolo, controllando la temperatura e il gradiente termico, la polvere di SiC viene convertita allo stato gassoso e trasportata al seme di cristallo, dove avviene poi la crescita dei cristalli. La materia prima per il PVT è polvere di SiC ad elevata-purezza e la temperatura di crescita è di 2100 –2500 gradi. Attualmente, alcuni produttori nazionali di SiC utilizzano questo metodo come metodo di produzione tradizionale. I suoi svantaggi sono l'elevata temperatura di crescita, l'elevato consumo energetico e i costi elevati; i cristalli cresciuti presentano numerosi difetti che influiscono sulle prestazioni e sulla durata del dispositivo.
Sebbene la tecnologia di crescita PVT SiC sia già molto matura, nella produzione effettiva permangono i seguenti problemi: Nella crescita PVT di singoli cristalli SiC, si verificano facilmente transizioni di politipo che portano a inclusioni policristalline. Il controllo di un singolo politipo durante la crescita dei cristalli SiC è una questione complessa. Prendendo come esempio i tradizionali cristalli singoli SiC 4H-, la crescita stabile di un singolo politipo è influenzata da molti fattori, tra cui la polarità dei cristalli di seme, la temperatura di crescita, la pressione di crescita, il rapporto Si/C fase vapore- e il tipo di drogaggio, il che significa che la regolazione precisa del politipo SiC diventa più difficile. Anche il controllo preciso della temperatura nel forno durante la crescita PVT dei singoli cristalli di SiC rimane una sfida enorme. Inoltre, il PVT si basa sul trasporto del gas e sui processi di reazione ad alte temperature, che impongono requisiti elevati al flusso di gas, alla cinetica di reazione e così via.
Metodo di deposizione chimica in fase vapore ad alta temperatura- (HTCVD).
Nel metodo di deposizione chimica in fase vapore ad alta temperatura (HTCVD), un cristallo seme di SiC viene collocato in un crogiolo di grafite. Il silano e un gas precursore contenente carbonio-come materie prime entrano continuamente nel crogiolo attraverso un reattore inferiore. Il silano poi pirolizza direttamente in cluster di Si, che reagiscono con gli idrocarburi (CxHy) nel gas precursore contenente carbonio-per formare un singolo cristallo SiC sotto il cristallo seme.
Rispetto al PVT, HTCVD utilizza materie prime di purezza-più elevata e può controllare con precisione la velocità di alimentazione delle materie prime, il rapporto C/Si e la temperatura di crescita durante la crescita, producendo così cristalli SiC di qualità superiore-. Inoltre, la pirolisi diretta del gas di trasporto conferisce a HTCVD un'efficienza energetica maggiore rispetto ad altri metodi e l'alta-velocità del gas di trasporto aiuta i cluster ottenuti dalla pirolisi a raggiungere il cristallo seme di SiC, quindi HTCVD fa crescere i cristalli di SiC più velocemente rispetto ad altri metodi.
HTCVD presenta vantaggi come alta qualità dei cristalli, tasso di crescita rapido e alimentazione continua. Tuttavia, poiché le attrezzature per la crescita e i gas ad alta-purezza sono costosi, questo metodo ha costi di produzione elevati e il suo processo di commercializzazione è lento. Allo stesso tempo, nella crescita HTCVD dei singoli cristalli di SiC, poiché SiH4 e C3H8 devono decomporsi ad alta temperatura e subire varie reazioni prima di far crescere finalmente i cristalli sul seme di SiC, se il gas sorgente si decompone troppo rapidamente, l'ingresso del gas verrà bloccato; se il gas sorgente si decompone troppo lentamente, il gas non reagito rimarrà all'uscita del gas e causerà un blocco. Ciò rende l'attrezzatura per la crescita del singolo cristallo-HTCVD SiC relativamente instabile. Inoltre, la ricerca attuale su HTCVD è insufficiente, il processo non è ancora maturo ed è ancora in fase di ricerca e sviluppo, quindi la crescita HTCVD di cristalli singoli SiC non è ampiamente utilizzata nell'industria.
Principale-Metodo TSSG (Seed Solution Growth).
Nel metodo TSSG (Top{0}}Seed Solution Growth), la fonte di silicio è un silicio fuso e la fonte di carbonio è un crogiolo di grafite ad elevata purezza. Al di sotto dei 2000 gradi, la solubilità del carbonio nel silicio fuso è inferiore all'1%, rendendo difficile il raggiungimento del rapporto molare Si:C=1:1 richiesto per la crescita dei cristalli SiC. Anche a 2800 gradi, la solubilità del carbonio nel silicio è solo del 19%. Pertanto, negli esperimenti reali di crescita dei cristalli SiC in fase-liquida, è necessario aggiungere alcuni fondenti per aumentare la solubilità del carbonio nella soluzione ad alta-temperatura. I flussi comuni includono Cr, Fe, Ti, ecc. Durante la crescita dei cristalli, il carbonio nel crogiolo di grafite si dissolve gradualmente nella massa fusa e viene trasportato attraverso la massa fusa al cristallo seme, consentendo una fornitura continua di carbonio. Controllando parametri come la velocità di rotazione del seme/crogiolo, il campo di temperatura, la frequenza e l'entità della corrente, nella massa fusa si formano gradienti di temperatura, gradienti di pressione e campi di flusso appropriati, in modo che il carbonio possa essere trasportato dalla parete del crogiolo al cristallo del seme. Tuttavia, nella crescita effettiva, il seme di cristallo viene spesso dissolto e il materiale policristallino precipita sulla parete del crogiolo e sul seme di cristallo. Pertanto, durante tutto il processo di crescita dei cristalli, i parametri di crescita devono essere regolati per mantenere l'intero sistema in un equilibrio dinamico adeguato, in modo da poter ottenere una crescita continua dei cristalli.
TSSG può preparare cristalli di SiC in condizioni di crescita più blande. Presenta inoltre caratteristiche tecniche come la regolazione dinamica e precisa dei parametri di processo, la crescita continua dell'espansione del diametro e un drogaggio uniforme di tipo p- elevato. È diventata una delle tecnologie innovative altamente competitive per substrati SiC a basso-costo e alta-qualità. Sebbene il TSSG presenti vantaggi significativi nella preparazione dei cristalli di SiC, presenta anche elevate barriere tecniche, riflesse principalmente nei numerosi parametri di processo che devono essere regolati; qualsiasi scelta di parametri inappropriati può interrompere l'equilibrio dinamico durante la crescita dei cristalli e causare gravi difetti macroscopici.