Là chất bán dẫn-thế hệ thứ ba, cacbua silic (SiC) có đặc tính điện và nhiệt vượt trội so với silicon, khiến nó trở thành một trong những vật liệu lý tưởng để chế tạo các thiết bị có nhiệt độ-cao, tần số- cao, công suất-cao và điện áp cao{4}}. SiC là một hợp chất bao gồm silicon và carbon. Nguyên tử silicon và nguyên tử carbon tạo thành cấu trúc tứ diện. Tinh thể SiC có hơn 200 loại polytype đã biết, được hình thành bằng cách xen kẽ các lớp nguyên tử silicon và lớp nguyên tử carbon theo những cách khác nhau. Phổ biến nhất là 3C-SiC (cấu trúc lập phương hoặc -SiC), 4H-SiC và 6H-SiC (cả hai đều là cấu trúc lục giác hoặc -SiC).
3C-SiC
3C-SiC là polytype SiC đơn giản nhất và có cấu trúc đóng gói-hình khối. Trong cấu trúc này, các nguyên tử silicon và carbon được sắp xếp theo một cách cụ thể trong không gian ba chiều-, tạo thành cấu trúc tinh thể có tính đối xứng cao. Do tính đối xứng của nó, 3C-SiC có các đặc tính quang học và điện tử tương đối kém và hiện được sử dụng tương đối ít trong các ứng dụng thực tế.
4H-SiC và 6H-SiC
Không giống như 3C-SiC, 4H-SiC và 6H-SiC có cấu trúc đóng gói hình lục giác-. Hai polytype này vượt trội hơn 3C-SiC về độ linh động của điện tử, độ dẫn nhiệt và vùng cấm. 4H-SiC có độ linh động của điện tử cao hơn, khiến nó trở nên lý tưởng hơn cho các thiết bị điện tử công suất cao-tần số{13}}cao. Nó được sử dụng rộng rãi nhất trong các lĩnh vực như phương tiện năng lượng mới và truyền thông 5G. Các nhà sản xuất SiC hiện tại chủ yếu sản xuất SiC 4H-SiC. 6H-SiC có dải thông lớn hơn và do đó hoạt động tốt hơn trong môi trường-nhiệt độ cao và bức xạ{21}}cao.
Công nghệ tăng trưởng cho tinh thể đơn SiC
Hiện tại, các công nghệ chính được sử dụng để phát triển tinh thể SiC bao gồm vận chuyển hơi vật lý (PVT), lắng đọng hơi hóa học ở nhiệt độ cao (HTCVD) và tăng trưởng dung dịch hạt giống trên cùng (TSSG). Trong số đó, PVT hiện là phương pháp phát triển đơn tinh thể SiC hoàn thiện nhất và được sử dụng rộng rãi nhất ở Trung Quốc và nước ngoài.
Phương pháp vận chuyển hơi vật lý (PVT)
Vận chuyển hơi vật lý (PVT) là một phương pháp được áp dụng rộng rãi để phát triển thương mại các tinh thể đơn SiC. Nó được phát triển từ phương pháp Lely, được Lely phát triển vào năm 1955 thông qua quá trình thăng hoa. Tuy nhiên, phương pháp Lely không thể kiểm soát hiệu quả sự phát triển-tinh thể đơn lẻ. Năm 1977, Tairov và Tsvetkov là những người đầu tiên sử dụng phương pháp thăng hoa hạt giống để phát triển các tinh thể đơn SiC; phương pháp này còn được gọi là "phương pháp Lely sửa đổi" hoặc phương pháp PVT.
Trong PVT, một tinh thể mầm được đặt ở trên cùng của nồi nấu bằng than chì và bột SiC có độ tinh khiết cao được đặt ở phía dưới. Bên ngoài nồi nấu có lớp cách nhiệt; cuộn dây sưởi ấm cảm ứng nằm bên ngoài lớp cách nhiệt và nước làm mát nằm bên trong cuộn dây. Bên trong nồi nấu kim loại, bằng cách kiểm soát nhiệt độ và gradient nhiệt độ, bột SiC được chuyển thành trạng thái khí và được vận chuyển đến tinh thể hạt, nơi xảy ra sự phát triển của tinh thể. Nguyên liệu thô cho PVT là bột SiC có độ tinh khiết-cao và nhiệt độ tăng trưởng là 2100 độ –2500 độ. Hiện nay, một số nhà sản xuất SiC trong nước sử dụng phương pháp này làm phương pháp sản xuất chủ đạo. Nhược điểm của nó là nhiệt độ tăng trưởng cao, tiêu thụ điện năng cao và giá thành cao; tinh thể phát triển có nhiều khiếm khuyết, ảnh hưởng đến hiệu suất và tuổi thọ của thiết bị.
Mặc dù công nghệ tăng trưởng PVT SiC đã rất trưởng thành nhưng các vấn đề sau vẫn tồn tại trong sản xuất thực tế: Trong quá trình tăng trưởng PVT của các tinh thể đơn SiC, sự chuyển đổi đa dạng dễ dàng xảy ra, dẫn đến các thể vùi đa tinh thể. Kiểm soát một polytype duy nhất trong quá trình phát triển tinh thể SiC là một vấn đề phức tạp. Lấy tinh thể đơn SiC 4H-chính thống làm ví dụ, sự tăng trưởng ổn định của một kiểu đa hình duy nhất bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố, bao gồm độ phân cực của tinh thể hạt, nhiệt độ tăng trưởng, áp suất tăng trưởng, tỷ lệ pha Si/C hơi- và loại pha tạp, có nghĩa là việc điều chỉnh chính xác kiểu đa hình SiC trở nên khó khăn hơn. Kiểm soát nhiệt độ chính xác trong lò trong quá trình tăng trưởng PVT của các tinh thể đơn SiC cũng vẫn là một thách thức lớn. Ngoài ra, PVT còn dựa vào quá trình vận chuyển khí và phản ứng ở nhiệt độ cao, đòi hỏi cao về dòng khí, động học phản ứng, v.v.
Phương pháp lắng đọng hơi hóa học ở nhiệt độ cao (HTCVD)
Trong phương pháp lắng đọng hơi hóa học ở nhiệt độ cao (HTCVD), một tinh thể hạt SiC được đặt trong nồi nấu kim loại làm bằng than chì. Silane và khí tiền chất chứa cacbon-làm nguyên liệu thô liên tục đi vào nồi nấu kim loại thông qua lò phản ứng ở đáy. Sau đó, silane trực tiếp nhiệt phân thành các cụm Si, phản ứng với hydrocarbon (CxHy) trong khí tiền chất chứa carbon-để tạo thành một tinh thể đơn SiC bên dưới tinh thể mầm.
So với PVT, HTCVD sử dụng nguyên liệu thô có độ tinh khiết cao hơn{0}}và có thể kiểm soát chính xác tốc độ cấp nguyên liệu thô, tỷ lệ C/Si và nhiệt độ tăng trưởng trong quá trình tăng trưởng, do đó tạo ra tinh thể SiC có chất lượng-cao hơn. Ngoài ra, quá trình nhiệt phân trực tiếp khí mang mang lại cho HTCVD hiệu suất năng lượng cao hơn so với các phương pháp khác và-khí mang tốc độ cao giúp các cụm thu được từ quá trình nhiệt phân tiếp cận được tinh thể hạt SiC, do đó HTCVD phát triển tinh thể SiC nhanh hơn các phương pháp khác.
HTCVD có những ưu điểm như chất lượng tinh thể cao, tốc độ tăng trưởng nhanh và cho ăn liên tục. Tuy nhiên, do thiết bị tăng trưởng và khí có độ tinh khiết cao- đắt tiền nên phương pháp này có chi phí sản xuất cao và quá trình thương mại hóa diễn ra chậm. Đồng thời, trong quá trình tăng trưởng HTCVD của các tinh thể đơn SiC, vì SiH4 và C3H8 phải phân hủy ở nhiệt độ cao và trải qua nhiều phản ứng khác nhau trước khi phát triển tinh thể cuối cùng trên hạt SiC, nếu khí nguồn phân hủy quá nhanh, đầu vào khí sẽ bị tắc; nếu khí nguồn phân hủy quá chậm, khí chưa phản ứng sẽ đọng lại ở cửa thoát khí và gây tắc nghẽn. Điều này làm cho thiết bị tăng trưởng đơn tinh thể HTCVD SiC-tương đối không ổn định. Ngoài ra, nghiên cứu hiện tại về HTCVD còn chưa đầy đủ, quy trình này vẫn chưa hoàn thiện và vẫn đang trong giai đoạn R&D, do đó sự phát triển HTCVD của các tinh thể đơn SiC không được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp.
Phương pháp tăng trưởng giải pháp hạt giống (TSSG) hàng đầu-
Trong phương pháp-tăng trưởng dung dịch hạt giống (TSSG) hàng đầu, nguồn silicon là silicon tan chảy và nguồn carbon là nồi nấu kim loại bằng than chì có độ tinh khiết cao. Dưới 2000 độ, độ hòa tan của cacbon trong silicon nóng chảy nhỏ hơn 1%, khiến khó đạt được tỷ lệ mol Si:C=1:1 cần thiết cho sự phát triển của tinh thể SiC. Ngay cả ở nhiệt độ 2800 độ, độ hòa tan của carbon trong silicon chỉ là 19%. Do đó, trong các thí nghiệm phát triển tinh thể SiC pha{11}}lỏng thực tế, cần phải thêm một số chất trợ dung để tăng khả năng hòa tan của cacbon trong dung dịch{12}}nhiệt độ cao. Các chất thông thường bao gồm Cr, Fe, Ti, v.v. Trong quá trình phát triển tinh thể, cacbon trong nồi nấu bằng than chì dần dần hòa tan vào khối nóng chảy và được vận chuyển qua khối nóng chảy đến tinh thể mầm, cho phép cung cấp cacbon liên tục. Bằng cách kiểm soát các thông số như tốc độ quay của hạt/nồi nấu, trường nhiệt độ, tần số và cường độ dòng điện, gradient nhiệt độ, gradient áp suất và trường dòng chảy thích hợp được hình thành trong quá trình nấu chảy, để carbon có thể được vận chuyển từ thành nồi nấu kim loại đến tinh thể hạt giống. Tuy nhiên, trong quá trình sinh trưởng thực tế, tinh thể hạt thường bị hòa tan và vật liệu đa tinh thể kết tủa ở thành nồi nấu và ở tinh thể hạt. Do đó, trong suốt quá trình phát triển tinh thể, các thông số tăng trưởng phải được điều chỉnh để giữ cho toàn bộ hệ thống ở trạng thái cân bằng động phù hợp, để có thể đạt được sự phát triển tinh thể liên tục.
TSSG có thể điều chế tinh thể SiC trong điều kiện tăng trưởng nhẹ hơn. Nó cũng có các tính năng kỹ thuật như điều chỉnh linh hoạt và chính xác các thông số quy trình, tăng trưởng mở rộng đường kính liên tục và pha tạp loại p{1}}cao đồng đều. Nó đã trở thành một trong những công nghệ đổi mới có tính cạnh tranh cao dành cho chất nền SiC có chất lượng-chi phí thấp,{4}}cao. Mặc dù TSSG có những lợi thế đáng kể trong việc điều chế tinh thể SiC nhưng nó cũng có những rào cản kỹ thuật cao, chủ yếu phản ánh ở nhiều thông số quy trình cần được điều chỉnh; bất kỳ lựa chọn tham số không phù hợp nào cũng có thể phá vỡ trạng thái cân bằng động trong quá trình phát triển tinh thể và gây ra các khuyết tật vĩ mô nghiêm trọng.