Materiály z karbidu křemíku mají výhody, jako je široká bandgap, vysoká průrazná síla pole, rychlá mobilita nosiče a vysoká tepelná vodivost. Dva typy produktů-polo{2}}izolační a vodivé-mohou vyhovět výrobním potřebám RF zařízení a napájecích elektronických zařízení a jsou široce používány v 5G komunikaci, radarové elektronice, nových energetických vozidlech, skladování energie a dalších oblastech, které mají vliv na bezpečnost státu a ekonomický rozvoj. Jako strategický materiál jsou substráty z karbidu křemíku s nezávislou ovladatelností klíčové pro zajištění realizace klíčových národních průmyslových řetězců a hlavních úkolů a jsou také jádrem ochrany národního hospodářského rozvoje.
Prášek karbidu křemíku je hlavní surovinou pro pěstování substrátů z karbidu křemíku. V současné době se v tomto odvětví používá především metoda fyzikálního transportu páry (PVT) k syntéze prášku karbidu křemíku do monokrystalických ingotů karbidu křemíku a poté zaoblením, řezáním, broušením, leštěním a čištěním získává monokrystalické substráty karbidu křemíku -s drsností povrchu menší než 0.1 nm. Práškový karbid křemíku se dělí podle použití na vysoce -čistý prášek karbidu křemíku a prášek karbidu křemíku dopovaný dusíkem -. Prášek z karbidu křemíku o vysoké-čistotě se používá hlavně k výrobě polo-izolačních substrátů z karbidu křemíku. Polo{11}}izolační substráty mají relativně vysoký měrný odpor a používají se hlavně k výrobě mikrovlnných RF zařízení, která slouží jako základní komponenty v oblasti bezdrátové komunikace. Prášek karbidu křemíku dopovaný dusíkem-se používá hlavně k výrobě vodivých substrátů z karbidu křemíku. Vodivé substráty mají relativně nízký měrný odpor. Epitaxní destičky z karbidu křemíku vyrostlé z vodivých substrátů karbidu křemíku lze dále použít k výrobě energetických zařízení a jsou široce používány v nových energetických vozidlech, fotovoltaice, inteligentních sítích, železniční dopravě a dalších oborech.
Prášek karbidu křemíku se obecně vyrábí reakcí uhlíkového prášku a křemíkového prášku v poměru 1:1 při vysoké teplotě 2000 stupňů za vzniku prášku karbidu křemíku. Stupeň defektů během růstu ingotů karbidu křemíku silně závisí na prášku karbidu křemíku. Prášek karbidu křemíku má proto důležitý dopad na kvalitu krystalů a substrátů, včetně velikosti částic, nečistot, krystalické formy prášku a obsahu dusíku v prášku karbidu křemíku. Mezi nimi velikost částic ovlivňuje rychlost a kvalitu krystalizace a obsah nečistot má důležitý dopad na elektrické vlastnosti karbidu křemíku.
01
Vliv velikosti částic prášku na krystaly
Velikost částic prášku karbidu křemíku přímo ovlivňuje molární poměr křemíkové složky k uhlíkové složce v plynné fázi, a tím ovlivňuje růst jednotlivých-krystalů. Celkový tlak a poměr křemíku -k -uhlíku v růstovém systému se zvyšují se snižující se velikostí částic. Když se velikost částic sníží z 2–3 mm na 0,06 mm, poměr křemíku-k-uhlíku se zvýší z 1,3 na 4,0. Když se částice do určité míry zmenšují, parciální tlak Si se zvýší, čímž se na rostoucím povrchu krystalu vytvoří film Si, což vyvolá růst páry-kapaliny-pevné látky, ovlivňuje polytypy krystalů, bodové defekty a čárové defekty a ovlivňuje kontrolu kvality krystalu.
Navíc, když je velikost částic prášku karbidu křemíku relativně malá, prášek se poměrně rychle rozkládá, což způsobuje, že rychlost růstu monokrystalu karbidu křemíku je příliš vysoká. Na jedné straně ve vysoko-teplotním prostředí růstu monokrystalů SiC-probíhají procesy syntézy a rozkladu současně. Prášek karbidu křemíku se rozloží a vytvoří plynné fáze, jako je Si, Si2C a SiC2, a také uhlík v pevné fázi, což má za následek poměrně silnou karbonizaci polykrystalického prášku a tvorbu uhlíkových inkluzí v krystalu. Na druhou stranu, když je rychlost rozkladu prášku relativně vysoká, krystalová struktura rostoucího monokrystalu SiC je náchylná ke změnám, což ztěžuje kontrolu kvality vyrostlého monokrystalu SiC.
02
Vliv nečistot na krystaly
Obsah nečistot v prášku karbidu křemíku ovlivňuje spontánní nukleaci během růstu krystalů. Čím vyšší je obsah nečistot, tím nižší je možnost spontánní nukleace krystalů. Mezi hlavní kovové nečistoty patří B, Al, V a Ni. Kromě toho jsou B a Al hlavními mělkými-akceptorovými nečistotami v SiC, což způsobuje pokles měrného odporu karbidu křemíku. Jiné kovové nečistoty zavádějí více úrovní energie, což způsobuje, že elektrické vlastnosti monokrystalů karbidu křemíku při vysokých teplotách jsou nestabilní, a mají relativně velký dopad na elektrické vlastnosti, zejména měrný odpor, vysoce -poločistotných-izolačních monokrystalických-krystalických substrátů.
03
Vliv krystalové formy prášku na krystaly
PVT růst monokrystalů SiC je proces sublimace-rekrystalizace prováděný při vysoké teplotě. Krystalická forma suroviny SiC má důležitý vliv na růst krystalů. Během syntézy prášku se vyrábí hlavně nízkoteplotní syntézní fáze s kubickou jednotkovou buněčnou strukturou (-SiC) a vysoko{5}}teplotní syntézní fáze s hexagonální strukturou jednotkových buněk (-SiC). Karbid křemíku má mnoho krystalických forem a rozsah regulace teploty je relativně úzký. Například 3C-SiC se přemění na hexagonální polytypy karbidu křemíku, konkrétně 4H/6H-SiC, nad 1900 stupňů.
Během růstu jednoho-krystalu, kdy se k růstu krystalů používá -prášek SiC, je molární poměr křemíku-k{3}}uhlíku větší než 5,5, zatímco když se k růstu krystalů používá -prášek SiC, je molární poměr křemíku -k{7}}uhlíku .2. Když teplota stoupá, dochází v kelímku k fázové přeměně. V této době se molární poměr v plynné fázi zvětšuje, což je nepříznivé pro růst krystalů. Kromě toho se během procesu fázové transformace snadno generují další nečistoty z plynné fáze, včetně uhlíku, křemíku, oxidu křemičitého atd. Přítomnost těchto nečistot způsobuje v krystalu vady, jako jsou mikrotrubky a dutiny. Proto musí být krystalická forma prášku přesně kontrolována.
04
Vliv obsahu dusíku v prášku na krystaly
Úroveň obsahu dusíku určuje měrný odpor jednotlivého-krystalického substrátu. Hlavní výrobci potřebují upravit koncentraci dopingu dusíku v syntetizovaném prášku podle procesů růstu zralých krystalů během syntézy prášku. Vysoce-čisté polo-izolační monokrystalické substráty z karbidu křemíku- jsou nejslibnějšími materiály pro vojenské základní elektronické součástky. Aby bylo možné pěstovat vysoce-čisté polo-izolační monokrystalické- substráty s vysokým měrným odporem a vynikajícími elektrickými vlastnostmi, musí být obsah hlavního nečistotového dusíku v substrátu řízen na relativně nízké úrovni. Vodivé monokrystalické substráty vyžadují regulaci obsahu dusíku v relativně vysoké koncentraci.