کاربرد مواد میدان حرارتی مبتنی بر کربن در رشد کریستال کاربید سیلیکون

Ⅰ. مقدمه ای بر مواد SiC:

1. مروری بر خواص مواد:

ایننیمه هادی نسل سومنیمه هادی مرکب نامیده می شود و عرض باند آن حدود 3.2eV است که سه برابر عرض باند مواد نیمه هادی مبتنی بر سیلیکون است (1.12eV برای مواد نیمه هادی مبتنی بر سیلیکون)، بنابراین به آن نیمه هادی باندگپ گسترده نیز می گویند. دستگاه های نیمه هادی مبتنی بر سیلیکون دارای محدودیت های فیزیکی هستند که در برخی از سناریوهای کاربردی در دمای بالا، فشار بالا و فرکانس بالا به سختی از بین می روند. تنظیم ساختار دستگاه دیگر نمی تواند نیازها را برآورده کند و مواد نیمه هادی نسل سوم که توسط SiC وGaNپدید آمده اند.

2. کاربرد دستگاه های SiC:

بر اساس عملکرد ویژه، دستگاه‌های SiC به تدریج جایگزین سیلیکون در زمینه دمای بالا، فشار بالا و فرکانس بالا می‌شوند و نقش مهمی در ارتباطات 5G، رادار مایکروویو، هوافضا، وسایل نقلیه انرژی‌های نو، حمل‌ونقل ریلی، هوشمند خواهند داشت. شبکه ها و سایر زمینه ها

3. روش تهیه:

(1)انتقال بخار فیزیکی (PVT): دمای رشد حدود 2100 ~ 2400 ℃ است. از مزایای آن می توان به فناوری بالغ، هزینه ساخت کم و بهبود مستمر کیفیت و عملکرد کریستال اشاره کرد. معایب آن این است که تامین مداوم مواد دشوار است و کنترل نسبت اجزای فاز گاز دشوار است. در حال حاضر بدست آوردن کریستال های نوع P مشکل است.

(2)روش محلول دانه بالا (TSSG): دمای رشد حدود 2200 درجه سانتیگراد است. از مزایا می توان به دمای رشد پایین، استرس کم، نقص در جابجایی کم، دوپینگ نوع P، 3 درجه سانتی گراد اشاره کرد.رشد کریستالو انبساط قطر آسان. با این حال، عیوب گنجاندن فلز هنوز وجود دارد، و عرضه مداوم منبع Si/C ضعیف است.

(3)رسوب بخار شیمیایی در دمای بالا (HTCVD): دمای رشد حدود 1600 ~ 1900 ℃ است. از مزایای آن می توان به تامین مداوم مواد خام، کنترل دقیق نسبت Si/C، خلوص بالا و دوپینگ راحت اشاره کرد. معایب آن هزینه بالای مواد خام گازی، دشواری بالا در عملیات مهندسی اگزوز میدان حرارتی، نقص زیاد و بلوغ فنی کم است.

Ⅱ. طبقه بندی عملکردیمیدان حرارتیمواد

1. سیستم عایق:

عملکرد: گرادیان دمای مورد نیاز برایرشد کریستال

الزامات: هدایت حرارتی، هدایت الکتریکی، خلوص سیستم های مواد عایق با دمای بالا بالای 2000 ℃

2. بوتهسیستم:

عملکرد: 

① اجزای گرمایش؛ 

② ظرف رشد

الزامات: مقاومت، هدایت حرارتی، ضریب انبساط حرارتی، خلوص

3. پوشش TaCاجزاء:

عملکرد: مهار خوردگی گرافیت پایه توسط Si و مهار ادخال های C

الزامات: چگالی پوشش، ضخامت پوشش، خلوص

4. گرافیت متخلخلاجزاء:

عملکرد: 

① اجزای ذرات کربن فیلتر. 

② منبع کربن مکمل

الزامات: انتقال، هدایت حرارتی، خلوص

Ⅲ. راه حل سیستم میدان حرارتی

سیستم عایق:

سیلندر داخلی عایق کامپوزیت کربن/کربن دارای چگالی سطحی بالا، مقاومت در برابر خوردگی و مقاومت در برابر شوک حرارتی خوب است. این می تواند خوردگی سیلیکون نشت شده از بوته به مواد عایق جانبی را کاهش دهد و در نتیجه پایداری میدان حرارتی را تضمین کند.

اجزای عملکردی:

(1)روکش کاربید تانتالیوماجزاء

(2)گرافیت متخلخلاجزاء

(3)کامپوزیت کربن/کربناجزای میدان حرارتی