كربيد السيليكون (SiC) عبارة عن مادة شبه موصلة مركبة ذات فجوة نطاق واسعة وتتميز بخصائص فيزيائية وكيميائية فريدة. تمنح الروابط الكيميائية C-Si وترتيب الطبقات C-Si صلابة عالية من SiC، وموصلية حرارية عالية، وسرعة انجراف عالية التشبع، بالإضافة إلى فجوة نطاق واسعة وقوة مجال انهيار عالية. في السنوات الأخيرة، اجتذبت أشباه موصلات SiC اهتمامًا واسع النطاق في تطبيقات الأجهزة ذات التردد العالي-والطاقة العالية-والحجم الصغير نظرًا لخصائصها المادية الممتازة.
توجد بلورات SiC في أكثر من 200 نوع متعدد، من بينها 4H-SiC، 6H-SiC، و3C-SiC هي الأكثر شيوعًا. ‑SiC (الأنواع المتعددة السداسية، ممثلة بـ 4H‑SiC و6H‑SiC) لديها عملية نمو ناضجة وتستخدم على نطاق واسع في التطبيقات الصناعية. 4يحتوي H‑SiC على كل من مواقع الشبكة السداسية والمكعبة، مع طبقات ثنائية مرتبة في تسلسل ABCB-ABCB، مما يمنحها صلابة أعلى وثباتًا حراريًا. 3C‑SiC هو النوع الوحيد من ‑SiC (نوع متعدد مكعب)، مع هيكل بلوري يشبه هيكل السيليكون. إنه يُظهر موصلية حرارية عالية جدًا، وقابلية تنقل عالية للقناة، وكثافة حالة عيب أقل في الواجهة SiO₂/3C-SiC، مما يُظهر إمكانات تطبيق رائعة.
لتلبية متطلبات التطبيقات واسعة النطاق في قطاعات مثل مركبات الطاقة الجديدة، والخلايا الشمسية الكهروضوئية، وتوليد طاقة الرياح، أصبحت تقنيات النمو أحادية البلورة عالية الجودة وكبيرة القطر ومنخفضة التكلفة من SiC محورًا رئيسيًا للبحث والتطوير. حاليًا، تتضمن طرق نمو بلورات SiC شائعة الاستخدام نقل البخار الفيزيائي (PVT)، وترسيب البخار الكيميائي عالي الحرارة (HTCVD)، ونمو المحلول عالي الحرارة (HTSG). ومن بين هذه الطرق، تعد طريقة PVT ناضجة نسبيًا وقد استوفت بالفعل متطلبات الإنتاج على نطاق واسع لبلورات SiC المفردة. ومع ذلك، مع زيادة الطلب على جودة كريستال SiC وكفاءة استخدام الطاقة عبر مختلف الصناعات، أصبحت عيوب طريقة PVT واضحة بشكل متزايد. أولاً، تؤدي درجة حرارة النمو المرتفعة التي يتطلبها PVT إلى استهلاك كبير للطاقة وتكلفة. ثانيًا، تحتوي بلورات SiC المفردة المزروعة بواسطة PVT على عيوب مثل الخلع والأنابيب الدقيقة، والتي تؤثر بشكل خطير على جودة البلورة. تنتج طريقة HTCVD SiC بدرجة نقاء عالية، وتسمح بالتحكم الفعال في النسبة الذرية Si/C، وتمكن من الإمداد المستمر بسلائف النمو. بالإضافة إلى ذلك، يمكن لمكونات الجرافيت المنحنية ذات الشكل الخاص أن تحسن بشكل فعال عمليات نقل السلائف والتفاعل الكيميائي. ومع ذلك، فإن متطلبات درجة الحرارة المرتفعة والغازات الخاصة لـ HTCVD تزيد من تكلفة إنتاج بلورات SiC.
بشكل عام، توفر طريقة HTSG مزايا زراعة بلورات مفردة من SiC في درجات حرارة أقل نسبيًا في ظل ظروف قريبة من التوازن الديناميكي الحراري، وخلال عملية النمو، يمكن تحويل عيوب الخلع في البلورة بشكل فعال. تضمن HTSG جودة كريستالية عالية مع تقليل تكاليف الإنتاج.
في نمو بلورات SiC المفردة بطريقة HTSG، يعد الاختيار الصحيح للتدفقات عاملاً رئيسيًا في تحسين كفاءة وجودة نمو بلورات SiC. يجب أن يتبع اختيار عناصر التدفق هذه المبادئ:
قابلية ذوبان عالية للكربون: توفر القدرة العالية على إذابة الكربون بيئة نمو بلورية أكثر استقرارًا، كما تعمل درجة حرارة النمو المنخفضة نسبيًا على تقليل التكاليف التجريبية واستهلاك الطاقة بشكل فعال.
قدرة عالية على النقل الجماعي: تؤدي إضافة عناصر التدفق (المعادن الانتقالية أو العناصر الأرضية النادرة) إلى تقليل لزوجة المحلول وتحسين قابليته للسيولة، وبالتالي تسريع نقل مذابات الكربون في المحلول.
قابلية جيدة للتبلل باستخدام SiC: يجب أن يكون السطح البلوري للبذور مبللاً بالكامل عند ملامسته للمحلول.
وفيرة بطبيعتها ومتاحة بسهولة.
لا يوجد تشكيل لمراحل مستقرة ذات درجة حرارة عالية بخلاف SiC عند درجات حرارة مرتفعة.
ومن بين هذه العناصر، تعد قدرة عناصر التدفق على إذابة الكربون ذات أهمية خاصة، حيث أن تعزيز هذه القدرة يعزز النمو البلوري السريع وعالي الجودة. في طريقة HTSG، يأتي مصدر الكربون لنمو بلورة مفردة من SiC من بوتقة الجرافيت التي تحتوي على المحلول. نظرًا لأن ذوبان الكربون في السيليكون المنصهر منخفض للغاية-فقط 13% عند النقطة المحيطة (3073 كلفن)-ويتبخر السيليكون مباشرة فوق 2273 كلفن، فمن الضروري إضافة عناصر انتقالية أخرى أو عناصر أرضية نادرة إلى محلول السيليكون لزيادة قابلية ذوبان الكربون، وبالتالي تمكين نمو بلوري سريع وعالي الجودة.