סיליקון קרביד (SiC) הוא חומר מוליך-למחצה מורכב- רחב עם תכונות פיזיקליות וכימיות ייחודיות. הקשרים הכימיים C-Si וסידור C-Si השכבתי מעניקים ל-SiC קשיות גבוהה, מוליכות תרמית גבוהה ומהירות סחיפה גבוהה של רוויה, כמו גם מרווח פס רחב וחוזק שדה פירוק גבוה. בשנים האחרונות, מוליכים למחצה SiC משכו תשומת לב נרחבת ביישומי מכשירים בתדר-גבוה,-גבוהה ובגודל קטן בשל מאפייני החומר המצוינים שלהם.
גבישי SiC קיימים בלמעלה מ-200 פוליטיפים, ביניהם 4H‑SiC, 6H‑SiC ו-3C‑SiC הם הנפוצים ביותר. ל-SiC (פולי טיפוס משושה, המיוצג על ידי 4H-SiC ו-6H-SiC) יש תהליך גדילה בוגר והוא נמצא בשימוש נרחב ביישומים תעשייתיים. 4H-SiC מכיל אתרי סריג משושה וקוביים כאחד, עם דו-שכבות מסודרות ברצף ה-ABCB-ABCB-הקשיח גבוה יותר. יציבות. 3C‑SiC הוא ה-SiC היחיד (פוליטיפוס מעוקב), עם מבנה גבישי דומה לזה של סיליקון. הוא מציג מוליכות תרמית גבוהה במיוחד, ניידות ערוץ גבוהה וצפיפות מצב פגמים נמוכה יותר בממשק SiO₂/3C-SiC, מה שמציג פוטנציאל יישום יוצא דופן.
כדי לעמוד בדרישות היישומים בקנה מידה גדול במגזרים כגון רכבי אנרגיה חדשים, פוטו-וולטאים סולאריים וייצור כוח רוח, טכנולוגיות גידול SiC חד-גבישיות באיכות גבוהה, בקוטר גדול ובעלות נמוכה הפכו למוקד מחקר ופיתוח מרכזי. נכון לעכשיו, שיטות הגידול הנפוצות של גבישי SiC כוללות הובלת אדים פיזית (PVT), שקיעת אדים כימית בטמפרטורה גבוהה (HTCVD) וצמיחת תמיסות בטמפרטורה גבוהה (HTSG). בין אלה, שיטת PVT בשלה יחסית וכבר עמדה בדרישות לייצור בקנה מידה גדול של גבישי SiC בודדים. עם זאת, ככל שהדרישות לאיכות גבישי SiC ויעילות אנרגטית עולות בתעשיות שונות, החסרונות של שיטת ה-PVT הופכים ברורים יותר ויותר. ראשית, טמפרטורת הגידול הגבוהה הנדרשת על ידי PVT מובילה לצריכת אנרגיה ולעלות משמעותית. שנית, גבישים בודדים של SiC הגדלים על ידי PVT מכילים פגמים כמו נקעים ומיקרו-צינורות, המשפיעים באופן רציני על איכות הגביש. שיטת HTCVD מייצרת SiC בטוהר גבוה, מאפשרת שליטה יעילה ביחס האטומי Si/C ומאפשרת אספקה רציפה של מבשרי צמיחה. בנוסף, רכיבי גרפיט מעוקלים בעלי צורה מיוחדת יכולים לייעל ביעילות את תהליכי הובלת מבשר ותהליכי תגובה כימיים. עם זאת, הטמפרטורה הגבוהה ודרישות הגז המיוחדות של HTCVD מעלות את עלות הייצור של גבישי SiC.
בסך הכל, שיטת HTSG מציעה את היתרונות של גידול גבישי SiC בודדים בטמפרטורות נמוכות יחסית בתנאי שיווי משקל כמעט תרמודינמיים, ובמהלך תהליך הגדילה, ניתן לשנות ביעילות פגמי נקע בגביש. HTSG מבטיח איכות גביש גבוהה תוך הפחתת עלויות הייצור.
בגידול של גבישי SiC בודדים בשיטת HTSG, בחירה נכונה של שטפים היא גורם מפתח בשיפור היעילות והאיכות של צמיחת גבישי SiC. בחירת רכיבי השטף צריכה לפעול לפי העקרונות הבאים:
מסיסות פחמן גבוהה: יכולת גבוהה של המסת פחמן מספקת סביבת צמיחת גבישים יציבה יותר, וטמפרטורת הגידול הנמוכה יחסית מפחיתה ביעילות את עלויות הניסוי ואת צריכת האנרגיה.
יכולת הובלת מסה גבוהה: תוספת של יסודות שטף (מתכות מעבר או יסודות אדמה נדירים) מורידה את צמיגות התמיסה ומשפרת את יכולת הזרימה שלה, ובכך מאיץ את הובלת מומסי פחמן בתמיסה.
יכולת הרטבה טובה עם SiC: יש להרטיב את משטח הגביש הזרע במלואו בעת מגע עם התמיסה.
שופע בטבע זמין.
אין היווצרות של שלבים יציבים בטמפרטורה גבוהה מלבד SiC בטמפרטורות גבוהות.
בין אלה, יכולת המסת הפחמן של יסודות השטף חשובה במיוחד, שכן שיפור יכולת זו מקדם עוד יותר צמיחת גבישים מהירה ואיכותית. בשיטת HTSG, מקור הפחמן לצמיחת SiC חד-גביש מגיע מכור היתוך הגרפיט שמכיל את התמיסה. מכיוון שהמסיסות של פחמן בסיליקון מותך נמוכה ביותר-רק 13% בנקודה הפריקטית (3073 K)-וסיליקון מתאדה ישירות מעל 2273 K, יש צורך להוסיף יסודות מעבר אחרים או אלמנטים של אדמה נדירים לתמיסת הסיליקון כדי להגביר את מסיסות הפחמן, ובכך להגביר את הצמיחה המהירה של פחמן.