I materiali in carburo di silicio presentano vantaggi quali un ampio intervallo di banda, un'elevata intensità del campo di rottura, una rapida mobilità dei portatori e un'elevata conduttività termica. Due tipi di prodotti-semi-isolanti e conduttivi-possono soddisfare le esigenze di produzione di dispositivi RF e dispositivi elettronici di potenza e sono ampiamente utilizzati nelle comunicazioni 5G, nell'elettronica radar, nei veicoli a nuova energia, nello stoccaggio dell'energia e in altri campi, che influiscono sulla sicurezza della difesa nazionale e sullo sviluppo economico. Essendo un materiale strategico, i substrati di carburo di silicio con controllabilità indipendente sono fondamentali per garantire l’implementazione delle principali catene industriali e dei compiti principali a livello nazionale, e sono anche il nucleo della salvaguardia dello sviluppo economico nazionale.
La polvere di carburo di silicio è la principale materia prima per la coltivazione di substrati di carburo di silicio. Attualmente, l'industria adotta principalmente il metodo del trasporto fisico del vapore (PVT) per sintetizzare la polvere di carburo di silicio in lingotti mono-cristallo di carburo di silicio e quindi, attraverso arrotondamento, taglio, molatura, lucidatura e pulizia, ottiene substrati mono-cristallo di carburo di silicio con una rugosità superficiale inferiore a 0,1 nm. La polvere di carburo di silicio è divisa in base all'uso in polvere di carburo di silicio ad elevata purezza-e polvere di carburo di silicio drogata con azoto-. La polvere di carburo di silicio ad elevata-purezza viene utilizzata principalmente per produrre substrati di carburo di silicio semi-isolanti. I substrati semi-isolanti hanno una resistività relativamente elevata e vengono utilizzati principalmente per produrre dispositivi RF a microonde, che fungono da componenti di base nel campo delle comunicazioni wireless. La polvere di carburo di silicio drogato con azoto- viene utilizzata principalmente per produrre substrati conduttivi di carburo di silicio. I substrati conduttivi hanno una resistività relativamente bassa. I wafer epitassiali di carburo di silicio cresciuti da substrati conduttivi di carburo di silicio possono essere ulteriormente utilizzati per realizzare dispositivi di potenza e sono ampiamente utilizzati nei veicoli di nuova energia, nel fotovoltaico, nelle reti intelligenti, nel trasporto ferroviario e in altri campi.
La polvere di carburo di silicio viene generalmente prodotta facendo reagire polvere di carbonio e polvere di silicio in un rapporto di 1:1 ad una temperatura elevata di 2000 gradi per formare polvere di carburo di silicio. L'entità dei difetti durante la crescita dei lingotti di carburo di silicio dipende fortemente dalla polvere di carburo di silicio. Pertanto, la polvere di carburo di silicio ha un impatto importante sulla qualità dei cristalli e dei substrati, comprese le dimensioni delle particelle, le impurità, la forma dei cristalli della polvere e il contenuto di azoto della polvere di carburo di silicio. Tra questi, la dimensione delle particelle influisce sulla velocità e sulla qualità della cristallizzazione, mentre il contenuto di impurità ha un impatto importante sulle proprietà elettriche del carburo di silicio.
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Effetto della dimensione delle particelle di polvere sui cristalli
La dimensione delle particelle della polvere di carburo di silicio influisce direttamente sul rapporto molare tra il componente di silicio e il componente di carbonio nella fase gassosa, influenzando così la crescita del singolo-cristallo. La pressione totale e il rapporto silicio-/-carbonio del sistema di crescita aumentano al diminuire della dimensione delle particelle. Quando la dimensione delle particelle diminuisce da 2–3 mm a 0,06 mm, il rapporto silicio-e-carbonio aumenta da 1,3 a 4,0. Quando le particelle diventano piccole fino a un certo punto, la pressione parziale del Si aumenta, formando una pellicola di Si sulla superficie del cristallo in crescita, inducendo la crescita di vapore-liquido-solido, influenzando i politipi cristallini, i difetti puntiformi e i difetti di linea e influenzando il controllo della qualità del cristallo.
Inoltre, quando la dimensione delle particelle della polvere di carburo di silicio è relativamente piccola, la polvere si decompone relativamente rapidamente, causando un tasso di crescita del monocristallo di carburo di silicio troppo rapido. Da un lato, nell'ambiente ad alta-temperatura della crescita del singolo-cristallo SiC, i processi di sintesi e decomposizione procedono simultaneamente. La polvere di carburo di silicio si decompone e forma fasi gassose come Si, Si2C e SiC2 nonché carbonio in fase solida-, con conseguente carbonizzazione relativamente grave della polvere policristallina e formazione di inclusioni di carbonio nel cristallo. D'altra parte, quando la velocità di decomposizione della polvere è relativamente rapida, la struttura cristallina del monocristallo SiC in crescita tende a cambiare, rendendo difficile il controllo della qualità del monocristallo SiC cresciuto.
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Effetto delle impurità sui cristalli
Il contenuto di impurità nella polvere di carburo di silicio influisce sulla nucleazione spontanea durante la crescita dei cristalli. Maggiore è il contenuto di impurità, minore è la possibilità di nucleazione spontanea dei cristalli. Le principali impurità metalliche includono B, Al, V e Ni. Inoltre, B e Al sono le principali impurità accettrici di livello superficiale- nel SiC, causando una diminuzione della resistività del carburo di silicio. Altre impurità metalliche introducono più livelli di energia, rendendo instabili le proprietà elettriche dei singoli cristalli di carburo di silicio ad alte temperature e avendo un impatto relativamente grande sulle proprietà elettriche, in particolare sulla resistività, dei substrati monocristallo semi-di elevata purezza-isolanti.
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Effetto della forma di cristallo in polvere sui cristalli
La crescita PVT dei singoli cristalli di SiC è un processo di sublimazione-ricristallizzazione effettuato ad alta temperatura. La forma cristallina della materia prima SiC ha un impatto importante sulla crescita dei cristalli. Durante la sintesi delle polveri, vengono prodotte principalmente una fase di sintesi a bassa-temperatura con una struttura di cella unitaria cubica (-SiC) e una fase di sintesi ad alta-temperatura con una struttura di cella unitaria esagonale (-SiC). Il carburo di silicio ha molte forme cristalline e l'intervallo di controllo della temperatura è relativamente ristretto. Ad esempio, 3C-SiC si trasformerà in politipi esagonali di carburo di silicio, ovvero 4H/6H-SiC, sopra i 1900 gradi.
Durante la crescita di un singolo-cristallo, quando la -polvere di SiC viene utilizzata per far crescere i cristalli, il rapporto molare tra silicio-e-carbonio è maggiore di 5,5, mentre quando la -polvere di SiC viene utilizzata per far crescere i cristalli, il rapporto molare tra silicio-e-carbonio è 1,2. Quando la temperatura aumenta, nel crogiolo avviene una trasformazione di fase. In questo momento, il rapporto molare nella fase gassosa diventa maggiore, il che è sfavorevole per la crescita dei cristalli. Inoltre, durante il processo di trasformazione di fase, vengono facilmente generate altre impurità della fase gassosa, tra cui carbonio, silicio, biossido di silicio, ecc. La presenza di queste impurità provoca la formazione di difetti come microtubi e vuoti nel cristallo. Pertanto, la forma cristallina della polvere deve essere controllata con precisione.
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Effetto del contenuto di azoto nella polvere sui cristalli
Il livello del contenuto di azoto determina la resistività del substrato monocristallino-. I principali produttori devono regolare la concentrazione di drogaggio di azoto nella polvere sintetizzata in base ai processi di crescita dei cristalli maturi durante la sintesi della polvere. I substrati monocristallo-semiisolanti in carburo di silicio di elevata purezza-semi{4}}sono i materiali più promettenti per i componenti elettronici di base militari. Per coltivare substrati monocristallo semi{8}}semiisolanti-di elevata purezza con elevata resistività ed eccellenti proprietà elettriche, il contenuto dell'impurità principale di azoto nel substrato deve essere controllato a un livello relativamente basso. I substrati conduttivi a cristallo singolo-richiedono il controllo del contenuto di azoto a una concentrazione relativamente elevata.