Les matériaux en carbure de silicium présentent des avantages tels qu'une large bande interdite, une intensité de champ de claquage élevée, une mobilité rapide des porteurs et une conductivité thermique élevée. Deux types de produits-semi-conducteurs-peuvent répondre aux besoins de fabrication d'appareils RF et d'appareils électroniques de puissance, et sont largement utilisés dans les communications 5G, l'électronique radar, les véhicules à énergie nouvelle, le stockage d'énergie et d'autres domaines, ayant une incidence sur la sécurité de la défense nationale et le développement économique. En tant que matériau stratégique, les substrats en carbure de silicium dotés d'une contrôlabilité indépendante sont essentiels pour garantir la mise en œuvre des chaînes industrielles clés nationales et des tâches majeures, et sont également au cœur de la sauvegarde du développement économique national.
La poudre de carbure de silicium est la principale matière première pour la culture des substrats en carbure de silicium. À l'heure actuelle, l'industrie adopte principalement la méthode de transport physique de vapeur (PVT) pour synthétiser de la poudre de carbure de silicium en lingots monocristallins de carbure de silicium-, puis, par arrondi, découpage, meulage, polissage et nettoyage, elle obtient des substrats monocristallins en carbure de silicium-avec une rugosité de surface inférieure à 0,1 nm. La poudre de carbure de silicium est divisée par utilisation en poudre de carbure de silicium de haute -poudre et en poudre de carbure de silicium dopé à l'azote-. La poudre de carbure de silicium de haute -pureté est principalement utilisée pour produire des substrats semi--isolants en carbure de silicium. Les substrats semi--isolants ont une résistivité relativement élevée et sont principalement utilisés pour fabriquer des dispositifs RF micro-ondes, servant de composants de base dans le domaine des communications sans fil. La poudre de carbure de silicium dopée à l'azote - est principalement utilisée pour produire des substrats conducteurs en carbure de silicium. Les substrats conducteurs ont une résistivité relativement faible. Les tranches épitaxiales de carbure de silicium cultivées à partir de substrats conducteurs en carbure de silicium peuvent également être utilisées pour fabriquer des dispositifs électriques et sont largement utilisées dans les véhicules à énergie nouvelle, le photovoltaïque, les réseaux intelligents, le transport ferroviaire et d'autres domaines.
La poudre de carbure de silicium est généralement produite en faisant réagir de la poudre de carbone et de la poudre de silicium dans un rapport de 1:1 à une température élevée de 2 000 degrés pour former de la poudre de carbure de silicium. Le degré de défauts lors de la croissance des lingots de carbure de silicium dépend fortement de la poudre de carbure de silicium. Par conséquent, la poudre de carbure de silicium a un impact important sur la qualité des cristaux et des substrats, notamment sur la taille des particules, les impuretés, la forme des cristaux de poudre et la teneur en azote de la poudre de carbure de silicium. Parmi ceux-ci, la taille des particules affecte le taux et la qualité de cristallisation, et la teneur en impuretés a un impact important sur les propriétés électriques du carbure de silicium.
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Effet de la taille des particules de poudre sur les cristaux
La taille des particules de poudre de carbure de silicium affecte directement le rapport molaire du composant silicium au composant carbone dans la phase gazeuse, affectant ainsi la croissance des monocristaux-. La pression totale et le rapport silicium-à-carbone du système de croissance augmentent à mesure que la taille des particules diminue. Lorsque la taille des particules diminue de 2 à 3 mm à 0,06 mm, le rapport silicium-sur-carbone augmente de 1,3 à 4,0. Lorsque les particules deviennent petites dans une certaine mesure, la pression partielle de Si augmente, formant un film de Si sur la surface cristalline en croissance, induisant une croissance vapeur-liquide-solide, affectant les polytypes cristallins, les défauts ponctuels et les défauts linéaires, et affectant le contrôle de la qualité des cristaux.
De plus, lorsque la taille des particules de la poudre de carbure de silicium est relativement petite, la poudre se décompose relativement rapidement, ce qui rend la vitesse de croissance du monocristal de carbure de silicium trop rapide. D'une part, dans l'environnement à haute température-de la croissance monocristalline de SiC-, les processus de synthèse et de décomposition se déroulent simultanément. La poudre de carbure de silicium se décomposera et formera des phases gazeuses telles que Si, Si2C et SiC2 ainsi que du carbone en phase solide-, ce qui entraînera une carbonisation relativement sévère de la poudre polycristalline et formera des inclusions de carbone dans le cristal. D'autre part, lorsque la vitesse de décomposition de la poudre est relativement rapide, la structure cristalline du monocristal de SiC en croissance est susceptible de changer, ce qui rend difficile le contrôle de la qualité du monocristal de SiC en croissance.
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Effet des impuretés sur les cristaux
La teneur en impuretés de la poudre de carbure de silicium affecte la nucléation spontanée lors de la croissance cristalline. Plus la teneur en impuretés est élevée, plus la possibilité de nucléation spontanée des cristaux est faible. Les principales impuretés métalliques comprennent B, Al, V et Ni. De plus, B et Al sont les principales impuretés acceptrices de faible niveau - dans le SiC, provoquant une diminution de la résistivité du carbure de silicium. D'autres impuretés métalliques introduisent plusieurs niveaux d'énergie, ce qui rend les propriétés électriques des monocristaux de carbure de silicium instables à haute température et a un impact relativement important sur les propriétés électriques, en particulier la résistivité, des substrats monocristallins semi-isolants de haute-pureté-semi-.
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Effet de la forme cristalline de poudre sur les cristaux
La croissance PVT des monocristaux de SiC est un processus de sublimation-recristallisation réalisé à haute température. La forme cristalline de la matière première SiC a un impact important sur la croissance cristalline. Lors de la synthèse de poudre, principalement une phase de synthèse à basse -température avec une structure cellulaire unitaire cubique (-SiC) et une phase de synthèse à haute-température avec une structure cellulaire unitaire hexagonale (-SiC) sont produites. Le carbure de silicium a de nombreuses formes cristallines et la plage de contrôle de la température est relativement étroite. Par exemple, le 3C-SiC se transformera en polytypes hexagonaux de carbure de silicium, à savoir 4H/6H-SiC, au-dessus de 1900 degrés.
Lors de la croissance d'un monocristal-, lorsque de la -poudre de SiC est utilisée pour faire croître des cristaux, le rapport molaire silicium-à-carbone est supérieur à 5,5, tandis que lorsque la -poudre de SiC est utilisée pour faire croître des cristaux, le rapport molaire silicium-à-carbone est de 1,2. Lorsque la température augmente, une transformation de phase se produit dans le creuset. A ce moment, le rapport molaire dans la phase gazeuse devient plus grand, ce qui est défavorable à la croissance cristalline. De plus, au cours du processus de transformation de phase, d'autres impuretés en phase gazeuse sont facilement générées, notamment du carbone, du silicium, du dioxyde de silicium, etc. La présence de ces impuretés provoque la formation de défauts tels que des microtuyaux et des vides dans le cristal. La forme cristalline de la poudre doit donc être contrôlée avec précision.
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Effet de la teneur en azote de la poudre sur les cristaux
Le niveau de teneur en azote détermine la résistivité du substrat monocristallin-. Les principaux fabricants doivent ajuster la concentration de dopage en azote dans la poudre synthétisée en fonction des processus de croissance cristalline matures lors de la synthèse de la poudre. Les substrats monocristallins en carbure de silicium semi-isolants de haute-pureté-sont les matériaux les plus prometteurs pour les composants électroniques de base militaires. Pour cultiver des substrats monocristallins semi-isolants -de haute pureté avec une résistivité élevée et d'excellentes propriétés électriques, la teneur en azote, la principale impureté, dans le substrat doit être contrôlée à un niveau relativement faible. Les substrats monocristallins conducteurs - nécessitent que la teneur en azote soit contrôlée à une concentration relativement élevée.