En tant que semi-conducteur de troisième-génération, le carbure de silicium (SiC) possède des propriétés électriques et thermiques supérieures à celles du silicium, ce qui en fait l'un des matériaux idéaux pour fabriquer des dispositifs à haute-température, haute-fréquence, haute-puissance et haute-tension. Le SiC est un composé composé de silicium et de carbone. Les atomes de silicium et les atomes de carbone forment une structure tétraédrique. Les cristaux de SiC ont plus de 200 polytypes connus, qui sont formés en alternant des couches atomiques de silicium et des couches atomiques de carbone de différentes manières. Les plus courants sont le 3C-SiC (structure cubique, ou -SiC), le 4H-SiC et le 6H-SiC (les deux structures hexagonales, ou -SiC).
3C-SiC
3C-SiC est le polytype SiC le plus simple et possède une structure cubique compacte-. Dans cette structure, les atomes de silicium et de carbone sont disposés d'une manière spécifique dans un espace tridimensionnel-, formant une structure cristalline hautement symétrique. En raison de sa symétrie, le 3C-SiC possède des propriétés électroniques et optiques relativement médiocres et est actuellement relativement peu utilisé dans des applications pratiques.
4H-SiC et 6H-SiC
Contrairement au 3C-SiC, le 4H-SiC et le 6H-SiC ont des structures hexagonales rapprochées-compactes. Ces deux polytypes sont supérieurs au 3C-SiC en termes de mobilité électronique, de conductivité thermique et de bande interdite.. 4H-Le SiC a une mobilité électronique plus élevée, ce qui le rend plus idéal pour les appareils électroniques à haute-fréquence et haute-puissance. Il est le plus largement utilisé dans des domaines tels que les véhicules à énergies nouvelles et les communications 5G, et les fabricants actuels de SiC produisent principalement du 4H-SiC. 6H-Le SiC a une bande interdite plus grande et fonctionne donc mieux dans des environnements à haute-température et à haut-rayonnement.
Technologies de croissance pour les monocristaux de SiC
À l'heure actuelle, les principales technologies utilisées pour la croissance des cristaux de SiC comprennent le transport physique de vapeur (PVT), le dépôt chimique en phase vapeur à haute température (HTCVD) et la croissance de solution à ensemençage supérieur (TSSG). Parmi eux, le PVT est actuellement la méthode de croissance monocristalline SiC -la plus mature et la plus largement utilisée en Chine et à l'étranger.
Méthode de transport physique de vapeur (PVT)
Le transport physique de vapeur (PVT) est une méthode largement adoptée pour la croissance commerciale de monocristaux de SiC. Il a été développé à partir de la méthode Lely, développée par Lely en 1955 grâce à un processus de sublimation. Cependant, la méthode Lely ne peut pas contrôler efficacement la croissance d'un monocristal-. En 1977, Tairov et Tsvetkov ont été les premiers à utiliser la sublimation ensemencée pour cultiver des monocristaux de SiC ; cette méthode est également appelée « méthode Lely modifiée » ou méthode PVT.
Dans le PVT, un cristal germe est placé au sommet d'un creuset en graphite et une poudre de SiC-de haute pureté est placée au fond. À l'extérieur du creuset se trouve une couche d'isolation thermique ; un serpentin de chauffage par induction se trouve à l'extérieur de la couche d'isolation et de l'eau de refroidissement se trouve à l'intérieur du serpentin. À l’intérieur du creuset, en contrôlant la température et le gradient de température, la poudre de SiC est convertie à l’état gazeux et transportée jusqu’au germe cristallin, où se produit alors la croissance cristalline. La matière première du PVT est une poudre de SiC de haute -pureté et la température de croissance est de 2 100 à 2 500 degrés. À l'heure actuelle, certains fabricants nationaux de SiC utilisent cette méthode comme méthode de production principale. Ses inconvénients sont une température de croissance élevée, une consommation d'énergie élevée et un coût élevé ; les cristaux développés présentent de nombreux défauts qui affectent les performances et la durée de vie de l'appareil.
Bien que la technologie de croissance PVT SiC soit déjà très mature, les problèmes suivants subsistent dans la production réelle : Dans la croissance PVT de monocristaux de SiC, des transitions polytypes se produisent facilement, conduisant à des inclusions polycristallines. Le contrôle d’un seul polytype pendant la croissance des cristaux de SiC est une question complexe. En prenant comme exemple les monocristaux 4H-SiC traditionnels, la croissance stable d'un seul polytype est affectée par de nombreux facteurs, notamment la polarité des germes cristallins, la température de croissance, la pression de croissance, le rapport Si/C en phase vapeur-et le type de dopage, ce qui signifie qu'une régulation précise du polytype SiC devient plus difficile. Le contrôle précis de la température dans le four pendant la croissance PVT des monocristaux de SiC reste également un défi de taille. De plus, le PVT repose sur des processus de transport de gaz et de réaction à haute température, ce qui impose des exigences élevées en matière de débit de gaz, de cinétique de réaction, etc.
Méthode de dépôt chimique en phase vapeur à haute-température (HTCVD)
Dans la méthode de dépôt chimique en phase vapeur à haute température (HTCVD), un cristal germe de SiC est placé dans un creuset en graphite. Le silane et un gaz précurseur contenant du carbone - en tant que matières premières pénètrent en continu dans le creuset par un réacteur inférieur. Le silane se pyrolyse ensuite directement en amas de Si, qui réagissent avec les hydrocarbures (CxHy) présents dans le gaz précurseur contenant du carbone - pour former un monocristal de SiC sous le germe cristallin.
Par rapport au PVT, le HTCVD utilise des matières premières de plus grande pureté-et peut contrôler avec précision le taux d'alimentation en matières premières, le rapport C/Si et la température de croissance pendant la croissance, produisant ainsi des cristaux SiC-de meilleure qualité. De plus, la pyrolyse directe du gaz porteur confère au HTCVD une efficacité énergétique supérieure à celle des autres méthodes, et le gaz porteur à grande vitesse - aide les amas obtenus par pyrolyse à atteindre le germe cristallin de SiC, de sorte que le HTCVD fait croître les cristaux de SiC plus rapidement que les autres méthodes.
HTCVD présente des avantages tels qu'une qualité cristalline élevée, un taux de croissance rapide et une alimentation continue. Cependant, comme l'équipement de croissance et les gaz de haute-pureté sont coûteux, cette méthode a des coûts de production élevés et son processus de commercialisation est lent. Dans le même temps, dans la croissance HTCVD de monocristaux de SiC, étant donné que SiH4 et C3H8 doivent se décomposer à haute température et subir diverses réactions avant de finalement faire croître des cristaux sur le germe de SiC, si le gaz source se décompose trop rapidement, l'entrée de gaz sera bloquée ; si le gaz source se décompose trop lentement, le gaz n'ayant pas réagi restera à la sortie de gaz et provoquera un blocage. Cela rend l'équipement de croissance monocristallin HTCVD SiC-relativement instable. De plus, les recherches actuelles sur le HTCVD sont insuffisantes, le procédé n'est pas encore mature et il est encore au stade de R&D, de sorte que la croissance par HTCVD de monocristaux de SiC n'est pas largement utilisée dans l'industrie.
Meilleure-méthode TSSG (Seeded Solution Growth)
Dans la méthode de croissance en solution à ensemençage supérieur (TSSG), la source de silicium est un silicium fondu et la source de carbone est un creuset en graphite de haute-pureté. En dessous de 2 000 degrés, la solubilité du carbone dans le silicium fondu est inférieure à 1 %, ce qui rend difficile l'atteinte du rapport molaire Si:C=1:1 requis pour la croissance des cristaux de SiC. Même à 2 800 degrés, la solubilité du carbone dans le silicium n'est que de 19 %. Par conséquent, dans les expériences réelles de croissance de cristaux de SiC en phase liquide-, certains flux doivent être ajoutés pour augmenter la solubilité du carbone dans la solution à haute -température. Les flux courants incluent Cr, Fe, Ti, etc. Au cours de la croissance cristalline, le carbone dans le creuset en graphite se dissout progressivement dans la masse fondue et est transporté à travers la masse fondue jusqu'au germe cristallin, permettant un approvisionnement continu en carbone. En contrôlant des paramètres tels que la vitesse de rotation du germe/creuset, le champ de température, ainsi que la fréquence et l'amplitude du courant, des gradients de température, des gradients de pression et des champs d'écoulement appropriés sont formés dans la masse fondue, de sorte que le carbone puisse être transporté de la paroi du creuset au germe cristallin. Cependant, lors d'une croissance réelle, le germe cristallin est souvent dissous et le matériau polycristallin précipite sur la paroi du creuset et au niveau du germe cristallin. Par conséquent, tout au long du processus de croissance cristalline, les paramètres de croissance doivent être ajustés pour maintenir l’ensemble du système dans un équilibre dynamique approprié, afin qu’une croissance cristalline continue puisse être obtenue.
TSSG peut préparer des cristaux de SiC dans des conditions de croissance plus douces. Il possède également des fonctionnalités techniques telles qu'une régulation dynamique et précise des paramètres du processus, une croissance continue de l'expansion du diamètre et un dopage uniforme de type p- élevé. Elle est devenue l'une des technologies innovantes les plus compétitives pour les substrats SiC à faible coût-et de haute-qualité. Bien que le TSSG présente des avantages significatifs dans la préparation de cristaux de SiC, il présente également des barrières techniques élevées, qui se reflètent principalement dans les nombreux paramètres de processus qui doivent être réglementés ; tout choix de paramètre inapproprié peut perturber l'équilibre dynamique lors de la croissance cristalline et provoquer de graves défauts macroscopiques.