باعتباره -جيلًا ثالثًا من أشباه الموصلات، يتمتع كربيد السيليكون (SiC) بخصائص كهربائية وحرارية تتفوق على خصائص السيليكون، مما يجعله أحد المواد المثالية لتصنيع الأجهزة ذات درجات الحرارة العالية-والتردد- العالي والطاقة- العالية والجهد العالي-. SiC هو مركب يتكون من السيليكون والكربون. تشكل ذرات السيليكون وذرات الكربون بنية رباعية السطوح. تحتوي بلورات SiC على أكثر من 200 نوع متعدد معروف، والتي تتشكل عن طريق تناوب طبقات ذرات السيليكون وطبقات ذرات الكربون بطرق مختلفة. الأكثر شيوعًا هي 3C-SiC (التركيب المكعب، أو -SiC)، و4H-SiC، و6H-SiC (كلا الهيكلين السداسيين، أو -SiC).
3C-كربيد
3C-SiC هو أبسط نوع من أنواع SiC وله بنية معبأة قريبة من المكعب -. في هذا الهيكل، يتم ترتيب ذرات السيليكون والكربون بطريقة محددة في الفضاء ثلاثي الأبعاد-، مما يشكل بنية بلورية عالية التماثل. نظرًا لتماثله، يتمتع 3C-SiC بخصائص إلكترونية وبصرية سيئة نسبيًا ويستخدم حاليًا بشكل قليل نسبيًا في التطبيقات العملية.
4H-SiC و6H-SiC
على عكس 3C-SiC، فإن 4H-SiC و6H-SiC لها هياكل سداسية قريبة من -. يتفوق هذان النوعان من 3C-SiC في قابلية تنقل الإلكترون، والتوصيل الحراري، وفجوة النطاق. 4H-SiC الذي يتميز بقدرة أعلى على تنقل الإلكترون، مما يجعله أكثر مثالية للأجهزة الإلكترونية ذات التردد العالي-والطاقة العالية-. يتم استخدامه على نطاق واسع في مجالات مثل مركبات الطاقة الجديدة واتصالات 5G، وينتج مصنعو SiC الحاليون بشكل أساسي 4H-SiC. 6H-SiC بفجوة نطاق أكبر وبالتالي يعمل بشكل أفضل في بيئات-درجة الحرارة العالية وبيئات الإشعاع- العالية.
تقنيات النمو لبلورات SiC المفردة
في الوقت الحالي، تشتمل التقنيات الرئيسية المستخدمة لنمو بلورات SiC على نقل البخار الفيزيائي (PVT)، وترسيب البخار الكيميائي عالي الحرارة (HTCVD)-، ونمو المحاليل المصنفة في الأعلى (TSSG). من بينها، تعد PVT حاليًا طريقة نمو بلورة SiC الفردية الأكثر نضجًا والأكثر استخدامًا على نطاق واسع في الصين والخارج.
طريقة نقل البخار الفيزيائي (PVT).
يعد نقل البخار الفيزيائي (PVT) طريقة معتمدة على نطاق واسع للنمو التجاري لبلورات SiC المفردة. تم تطويره من طريقة ليلي، التي طورها ليلي في عام 1955 من خلال عملية التسامي. ومع ذلك، لا يمكن لطريقة Lely التحكم بشكل فعال في نمو البلورة الفردية-. في عام 1977، كان تايروف وتسفيتكوف أول من استخدم التسامي المصنف لزراعة بلورات مفردة من كربيد السيليكون؛ وتسمى هذه الطريقة أيضًا "طريقة ليلي المعدلة" أو طريقة PVT.
في PVT، يتم وضع بلورة بذرة أعلى بوتقة الجرافيت، ويتم وضع مسحوق SiC عالي النقاء- في الأسفل. يوجد خارج البوتقة طبقة عازلة للحرارة؛ يوجد ملف التسخين التعريفي خارج الطبقة العازلة، ويوجد ماء التبريد داخل الملف. داخل البوتقة، من خلال التحكم في درجة الحرارة وتدرج درجة الحرارة، يتم تحويل مسحوق SiC إلى حالة غازية ويتم نقله إلى بلورة البذور، حيث يحدث بعد ذلك نمو البلورة. المادة الخام المستخدمة في PVT عبارة عن مسحوق SiC عالي النقاء-، ودرجة حرارة النمو تتراوح بين 2100 درجة -2500 درجة. في الوقت الحاضر، تستخدم بعض الشركات المصنعة المحلية لـ SiC هذه الطريقة كطريقة إنتاج رئيسية. عيوبه هي ارتفاع درجة حرارة النمو، وارتفاع استهلاك الطاقة، وارتفاع التكلفة؛ تحتوي البلورات المزروعة على العديد من العيوب التي تؤثر على أداء الجهاز وعمر الخدمة.
على الرغم من أن تكنولوجيا نمو PVT SiC ناضجة جدًا بالفعل، إلا أن المشكلات التالية تظل في الإنتاج الفعلي: في نمو PVT لبلورات SiC المفردة، تحدث التحولات المتعددة الأنواع بسهولة، مما يؤدي إلى شوائب متعددة البلورات. يعد التحكم في نوع متعدد واحد أثناء نمو بلورات SiC مشكلة معقدة. إذا أخذنا البلورات المفردة 4H-SiC كمثال، فإن النمو المستقر لنوع متعدد واحد يتأثر بعدة عوامل، بما في ذلك قطبية بلورة البذور، ودرجة حرارة النمو، وضغط النمو، ونسبة البخار-طور Si/C، ونوع التطعيم، مما يعني أن التنظيم الدقيق للنوع المتعدد SiC يصبح أكثر صعوبة. يظل التحكم الدقيق في درجة الحرارة في الفرن أثناء نمو PVT لبلورات SiC المفردة يمثل تحديًا كبيرًا. بالإضافة إلى ذلك، يعتمد PVT على عمليات نقل الغاز والتفاعل عند درجات حرارة عالية، مما يفرض متطلبات عالية على تدفق الغاز، وحركية التفاعل، وما إلى ذلك.
-طريقة ترسيب البخار الكيميائي بدرجة الحرارة العالية (HTCVD).
في طريقة -ترسيب البخار الكيميائي بدرجة حرارة عالية (HTCVD)، يتم وضع بلورة بذور SiC في بوتقة مصنوعة من الجرافيت. يدخل السيلان والكربون-الذي يحتوي على غاز أولي كمواد خام بشكل مستمر إلى البوتقة من خلال مفاعل سفلي. يتحلل السيلان بعد ذلك مباشرة إلى مجموعات Si، التي تتفاعل مع الهيدروكربونات (CxHy) في الكربون - المحتوي على غاز أولي لتكوين بلورة مفردة من SiC أسفل بلورة البذور.
بالمقارنة مع PVT، يستخدم HTCVD مواد خام-أعلى نقاء ويمكنه التحكم بدقة في معدل تغذية المواد الخام، ونسبة C/Si، ودرجة حرارة النمو أثناء النمو، وبالتالي إنتاج بلورات SiC عالية الجودة-. بالإضافة إلى ذلك، يمنح الانحلال الحراري المباشر للغاز الحامل HTCVD كفاءة طاقة أعلى من الطرق الأخرى، ويساعد الغاز الحامل عالي السرعة -المجموعات التي تم الحصول عليها عن طريق الانحلال الحراري في الوصول إلى بلورة بذور SiC، لذلك يقوم HTCVD بتنمية بلورات SiC بشكل أسرع من الطرق الأخرى.
يتمتع HTCVD بمزايا مثل الجودة الكريستالية العالية ومعدل النمو السريع والتغذية المستمرة. ومع ذلك، نظرًا لأن معدات النمو والغازات عالية النقاء-باهظة الثمن، فإن هذه الطريقة لها تكاليف إنتاج عالية وعملية تسويقها بطيئة. في الوقت نفسه، في نمو HTCVD لبلورات SiC المفردة، نظرًا لأنه يجب أن يتحلل SiH4 وC3H8 عند درجة حرارة عالية ويخضعان لتفاعلات مختلفة قبل نمو البلورات أخيرًا على بذرة SiC، إذا تحلل غاز المصدر بسرعة كبيرة جدًا، فسوف يصبح مدخل الغاز مسدودًا؛ إذا تحلل غاز المصدر ببطء شديد، فسيبقى الغاز غير المتفاعل عند مخرج الغاز ويسبب الانسداد. وهذا يجعل معدات النمو البلوري المفردة HTCVD SiC-غير مستقرة نسبيًا. بالإضافة إلى ذلك، فإن الأبحاث الحالية حول HTCVD غير كافية، والعملية لم تنضج بعد، ولا تزال في مرحلة البحث والتطوير، لذا فإن نمو HTCVD لبلورات SiC المفردة لا يستخدم على نطاق واسع في الصناعة.
أهم-طريقة نمو الحلول المصنفة (TSSG).
في طريقة -نمو المحلول الأعلى (TSSG)، يكون مصدر السيليكون عبارة عن مادة مصهورة للسيليكون، ومصدر الكربون عبارة عن بوتقة -جرافيت عالية النقاء. أقل من 2000 درجة، تكون قابلية ذوبان الكربون في ذوبان السيليكون أقل من 1%، مما يجعل من الصعب الوصول إلى النسبة المولية Si:C=1:1 المطلوبة لنمو بلورات SiC. حتى عند 2800 درجة، فإن ذوبان الكربون في السيليكون هو 19٪ فقط. لذلك، في تجارب نمو بلورات SiC في الطور السائل- الفعلية، يلزم إضافة بعض التدفقات لزيادة قابلية ذوبان الكربون في محلول درجة الحرارة المرتفعة-. تشمل التدفقات الشائعة Cr وFe وTi وما إلى ذلك. أثناء نمو البلورات، يذوب الكربون الموجود في بوتقة الجرافيت تدريجيًا في المصهور ويتم نقله عبر المصهور إلى بلورة البذور، مما يتيح إمدادًا مستمرًا بالكربون. من خلال التحكم في المعلمات مثل سرعة دوران البذور/البوتقة، ومجال درجة الحرارة، وتردد وحجم التيار، يتم تشكيل تدرجات درجة الحرارة المناسبة، وتدرجات الضغط، وحقول التدفق في الذوبان، بحيث يمكن نقل الكربون من جدار البوتقة إلى بلورة البذور. ومع ذلك، في النمو الفعلي، غالبًا ما تذوب بلورة البذور، وتترسب المواد متعددة البلورات عند جدار البوتقة وعند بلورة البذور. لذلك، خلال عملية نمو البلورات، يجب تعديل معلمات النمو للحفاظ على النظام بأكمله في توازن ديناميكي مناسب، بحيث يمكن تحقيق نمو البلورات المستمر.
يمكن لـ TSSG تحضير بلورات SiC في ظل ظروف نمو أكثر اعتدالًا. كما أن لديها ميزات تقنية مثل التنظيم الديناميكي والدقيق لمعلمات العملية، ونمو توسيع القطر المستمر، وتطعيم النوع - الموحد عالي الجودة. لقد أصبحت واحدة من التقنيات المبتكرة ذات القدرة التنافسية العالية لركائز SiC ذات التكلفة المنخفضة-والجودة العالية-. على الرغم من أن TSSG تتمتع بمزايا كبيرة في إعداد بلورات SiC، إلا أنها تحتوي أيضًا على حواجز تقنية عالية، تنعكس بشكل أساسي في معلمات العملية العديدة التي تحتاج إلى تنظيم؛ قد يؤدي أي اختيار غير مناسب للمعلمة إلى تعطيل التوازن الديناميكي أثناء نمو البلورة ويسبب عيوبًا عيانية شديدة.