Kiselkarbidmaterial har fördelar som ett brett bandgap, hög nedbrytningsfältstyrka, snabb bärarrörlighet och hög värmeledningsförmåga. Två typer av produkter-halv-isolerande och ledande-kan tillgodose tillverkningsbehoven för RF-enheter och kraftelektroniska enheter och används i stor utsträckning inom 5G-kommunikation, radarelektronik, nya energifordon, energilagring och andra områden, med anknytning till nationell försvarssäkerhet och ekonomisk utveckling. Som ett strategiskt material är kiselkarbidsubstrat med oberoende kontrollerbarhet nyckeln för att säkerställa genomförandet av nationella nyckelindustrikedjor och stora uppgifter, och är också kärnan i att säkra den nationella ekonomiska utvecklingen.
Kiselkarbidpulver är det huvudsakliga råmaterialet för odling av kiselkarbidsubstrat. För närvarande använder industrin huvudsakligen metoden för fysikalisk ångtransport (PVT) för att syntetisera kiselkarbidpulver till kiselkarbidenkel-göt, och sedan genom avrundning, skärning, slipning, polering och rengöring, erhåller kiselkarbidenkristallsubstrat med mindre än 0,0 m yta. Kiselkarbidpulver delas upp i kiselkarbidpulver med hög -renhet och kväve-dopat kiselkarbidpulver. Hög-kiselkarbidpulver används huvudsakligen för att producera halv-isolerande kiselkarbidsubstrat. Halv-isolerande substrat har relativt hög resistivitet och används huvudsakligen för att tillverka RF-mikrovågsenheter, som fungerar som grundläggande komponenter inom området trådlös kommunikation. Kväve-dopat kiselkarbidpulver används huvudsakligen för att producera ledande kiselkarbidsubstrat. Konduktiva substrat har relativt låg resistivitet. Epitaxiella kiselkarbidskivor odlade från ledande kiselkarbidsubstrat kan användas vidare för att tillverka kraftenheter och används i stor utsträckning i nya energifordon, solceller, smarta nät, järnvägstransitering och andra områden.
Kiselkarbidpulver framställs vanligtvis genom att reagera kolpulver och kiselpulver i ett förhållande av 1:1 vid en hög temperatur på 2000 grader för att bilda kiselkarbidpulver. Graden av defekter under tillväxten av kiselkarbidgöt beror starkt på kiselkarbidpulvret. Därför har kiselkarbidpulver en viktig inverkan på kvaliteten på kristaller och substrat, inklusive partikelstorlek, föroreningar, pulverkristallform och kväveinnehåll i kiselkarbidpulvret. Bland dessa påverkar partikelstorleken kristallisationshastigheten och kvaliteten, och innehållet av föroreningselement har en viktig inverkan på de elektriska egenskaperna hos kiselkarbid.
01
Effekt av pulverpartikelstorlek på kristaller
Partikelstorleken hos kiselkarbidpulver påverkar direkt molförhållandet mellan kiselkomponenten och kolkomponenten i gasfasen, och påverkar därigenom enkelkristalltillväxt. Det totala trycket och förhållandet kisel-till-kol i tillväxtsystemet ökar när partikelstorleken minskar. När partikelstorleken minskar från 2–3 mm till 0,06 mm, ökar förhållandet kisel-till-kol från 1,3 till 4,0. När partiklarna blir små till en viss grad ökar Si-partialtrycket, vilket bildar en Si-film på den växande kristallytan, inducerar ång{12}}vätsketillväxt-fast tillväxt, påverkar kristallpolytyper, punktdefekter och linjedefekter och påverkar kristallkvalitetskontrollen.
Dessutom, när partikelstorleken hos kiselkarbidpulvret är relativt liten, sönderdelas pulvret relativt snabbt, vilket gör att tillväxthastigheten för enkristallen av kiselkarbid blir för snabb. Å ena sidan, i hög-temperaturmiljön för SiC-enkel-tillväxt, fortgår syntes- och nedbrytningsprocesserna samtidigt. Kiselkarbidpulvret kommer att sönderdelas och bilda gasfaser såsom Si, Si2C och SiC2 såväl som kol i fast-fas, vilket resulterar i relativt kraftig förkolning av det polykristallina pulvret och bildar kolinneslutningar i kristallen. Å andra sidan, när pulvernedbrytningshastigheten är relativt snabb, är kristallstrukturen hos den växande SiC-enkristallen benägen att förändras, vilket gör det svårt att kontrollera kvaliteten på den odlade SiC-enkristallen.
02
Effekt av föroreningar på kristaller
Föroreningshalten i kiselkarbidpulver påverkar spontan kärnbildning under kristalltillväxt. Ju högre föroreningshalt, desto lägre är möjligheten för spontan kristallkärnbildning. De huvudsakliga metallföroreningarna inkluderar B, Al, V och Ni. Dessutom är B och Al de huvudsakliga grunda -acceptorföroreningarna i SiC, vilket orsakar en minskning av resistiviteten hos kiselkarbid. Andra metallföroreningar introducerar flera energinivåer, vilket gör att de elektriska egenskaperna hos enkelkristaller av kiselkarbid vid höga temperaturer är instabila och har en relativt stor inverkan på de elektriska egenskaperna, särskilt resistiviteten, hos halv-isolerande enkristallsubstrat med hög -renhet.
03
Effekt av pulverkristallform på kristaller
PVT-tillväxt av SiC-enkristaller är en sublimerings-omkristalliseringsprocess som utförs vid hög temperatur. Kristallformen av SiC-råmaterialet har en viktig inverkan på kristalltillväxten. Under pulversyntes produceras huvudsakligen en låg-temperatursyntesfas med en kubisk enhetscellstruktur (-SiC) och en hög-temperatursyntesfas med en hexagonal enhetscellstruktur (-SiC). Kiselkarbid har många kristallformer, och temperaturkontrollområdet är relativt smalt. Till exempel kommer 3C-SiC att omvandlas till hexagonala kiselkarbidpolytyper, nämligen 4H/6H-SiC, över 1900 grader.
Under enkel-tillväxt, när -SiC-pulver används för att odla kristaller, är molförhållandet kisel-till-kol större än 5,5, medan när -SiC-pulver används för att odla kristaller är förhållandet kisel-till- kolmol.2. När temperaturen stiger sker en fasomvandling i degeln. Vid denna tidpunkt blir molförhållandet i gasfasen större, vilket är ogynnsamt för kristalltillväxt. Under fasomvandlingsprocessen genereras dessutom lätt andra föroreningar i gasfas, inklusive kol, kisel, kiseldioxid, etc. Närvaron av dessa föroreningar gör att defekter som mikrorör och tomrum växer i kristallen. Därför måste pulvrets kristallform kontrolleras exakt.
04
Effekt av kväveinnehåll i pulver på kristaller
Nivån på kväveinnehållet bestämmer resistiviteten hos enkristallsubstratet. Stora tillverkare måste justera kvävedopningskoncentrationen i det syntetiserade pulvret enligt mogna kristalltillväxtprocesser under pulversyntesen. Hög-renhet, halv-isolerande enkel-kiselkarbidsubstrat är de mest lovande materialen för militära elektroniska komponenter. För att odla hög-rena semi-isolerande enkristallsubstrat med hög resistivitet och utmärkta elektriska egenskaper måste innehållet av huvudföroreningens kväve i substratet kontrolleras på en relativt låg nivå. Konduktiva enkristallsubstrat kräver att kvävehalten kontrolleras vid en relativt hög koncentration.