তৃতীয়-প্রজন্মের সেমিকন্ডাক্টর হিসেবে, সিলিকন কার্বাইডের (SiC) বৈদ্যুতিক এবং তাপীয় বৈশিষ্ট্যগুলি সিলিকনের তুলনায় উচ্চতর, এটিকে উচ্চ-তাপমাত্রা, উচ্চ-ফ্রিকোয়েন্সি, উচ্চ-শক্তি, এবং উচ্চ{{4}ভোল্টেজ ডিভাইস তৈরির জন্য আদর্শ উপাদানগুলির মধ্যে একটি করে তোলে৷ SiC হল একটি যৌগ যা সিলিকন এবং কার্বন দ্বারা গঠিত। সিলিকন পরমাণু এবং কার্বন পরমাণু একটি টেট্রাহেড্রাল গঠন গঠন করে। SiC স্ফটিকগুলির 200 টিরও বেশি পরিচিত পলিটাইপ রয়েছে, যা বিভিন্ন উপায়ে সিলিকন পারমাণবিক স্তর এবং কার্বন পারমাণবিক স্তরগুলিকে পর্যায়ক্রমে তৈরি করে। সবচেয়ে সাধারণ হল 3C-SiC (ঘন কাঠামো, বা -SiC), 4H-SiC, এবং 6H-SiC (উভয় ষড়ভুজ কাঠামো, বা -SiC)।
3C-SiC
3C-SiC হল সবচেয়ে সহজ SiC পলিটাইপ এবং একটি ঘন ঘন-প্যাকড কাঠামো রয়েছে। এই কাঠামোতে, সিলিকন এবং কার্বন পরমাণুগুলিকে একটি নির্দিষ্ট উপায়ে ত্রিমাত্রিক স্থানে সাজানো হয়, যা একটি অত্যন্ত প্রতিসম স্ফটিক গঠন তৈরি করে। এর প্রতিসাম্যের কারণে, 3C-SiC এর তুলনামূলকভাবে দুর্বল ইলেকট্রনিক এবং অপটিক্যাল বৈশিষ্ট্য রয়েছে এবং বর্তমানে ব্যবহারিক অ্যাপ্লিকেশনগুলিতে তুলনামূলকভাবে কম ব্যবহৃত হয়।
4H-SiC এবং 6H-SiC
3C-SiC এর বিপরীতে, 4H-SiC এবং 6H-SiC-এর ষড়ভুজাকার কাছাকাছি-প্যাকড কাঠামো রয়েছে। এই দুটি পলিটাইপ ইলেকট্রন গতিশীলতা, তাপ পরিবাহিতা এবং ব্যান্ডগ্যাপের ক্ষেত্রে 3C-SiC থেকে উচ্চতর. 4H-SiC-এর উচ্চতর ইলেকট্রন গতিশীলতা রয়েছে, এটি উচ্চ-ফ্রিকোয়েন্সি এবং উচ্চ-শক্তির ইলেকট্রনিক ডিভাইসগুলির জন্য আরও আদর্শ করে তোলে৷ এটি নতুন শক্তির যানবাহন এবং 5G যোগাযোগের মতো ক্ষেত্রে সবচেয়ে বেশি ব্যবহৃত হয় এবং বর্তমান SiC নির্মাতারা প্রধানত 4H-SiC. 6H-SiC এর একটি বড় ব্যান্ডগ্যাপ রয়েছে এবং তাই উচ্চ-তাপমাত্রা এবং উচ্চ-বিকিরণ পরিবেশে ভাল পারফর্ম করে৷
SiC একক স্ফটিক জন্য বৃদ্ধি প্রযুক্তি
বর্তমানে, SiC স্ফটিক বৃদ্ধির জন্য ব্যবহৃত প্রধান প্রযুক্তিগুলির মধ্যে রয়েছে শারীরিক বাষ্প পরিবহন (PVT), উচ্চ-তাপমাত্রা রাসায়নিক বাষ্প জমা (HTCVD), এবং শীর্ষ-বীজযুক্ত সমাধান বৃদ্ধি (TSSG)। তাদের মধ্যে, PVT বর্তমানে চীন এবং বিদেশে সবচেয়ে পরিপক্ক এবং সর্বাধিক ব্যবহৃত SiC একক-ক্রিস্টাল বৃদ্ধির পদ্ধতি।
শারীরিক বাষ্প পরিবহন (PVT) পদ্ধতি
ভৌত বাষ্প পরিবহন (PVT) হল SiC একক ক্রিস্টালের বাণিজ্যিক বৃদ্ধির জন্য একটি ব্যাপকভাবে গৃহীত পদ্ধতি। এটি লেলি পদ্ধতি থেকে বিকশিত হয়েছিল, যা লেলি দ্বারা 1955 সালে একটি পরমানন্দ প্রক্রিয়ার মাধ্যমে তৈরি করা হয়েছিল। যাইহোক, লেলি পদ্ধতি কার্যকরভাবে একক-স্ফটিক বৃদ্ধি নিয়ন্ত্রণ করতে পারে না। 1977 সালে, তাইরভ এবং Tsvetkov প্রথম SiC একক স্ফটিক বৃদ্ধি বীজ পরমানন্দ ব্যবহার করেন; এই পদ্ধতিটিকে "পরিবর্তিত লেলি পদ্ধতি" বা PVT পদ্ধতিও বলা হয়।
PVT-তে, একটি বীজ স্ফটিক একটি গ্রাফাইট ক্রুসিবলের শীর্ষে স্থাপন করা হয়, এবং উচ্চ-বিশুদ্ধতা SiC পাউডার নীচে স্থাপন করা হয়। ক্রুসিবলের বাইরে একটি তাপ নিরোধক স্তর; একটি ইন্ডাকশন হিটিং কয়েল ইনসুলেশন লেয়ারের বাইরে থাকে এবং কুলিং ওয়াটার কয়েলের ভিতরে থাকে। ক্রুসিবলের অভ্যন্তরে, তাপমাত্রা এবং তাপমাত্রার গ্রেডিয়েন্ট নিয়ন্ত্রণ করে, SiC পাউডার একটি বায়বীয় অবস্থায় রূপান্তরিত হয় এবং বীজ ক্রিস্টালে স্থানান্তরিত হয়, যেখানে স্ফটিক বৃদ্ধি ঘটে। PVT-এর কাঁচামাল উচ্চ-বিশুদ্ধতা SiC পাউডার, এবং বৃদ্ধির তাপমাত্রা 2100 ডিগ্রি –2500 ডিগ্রি। বর্তমানে, কিছু গার্হস্থ্য SiC নির্মাতারা তাদের মূলধারার উত্পাদন পদ্ধতি হিসাবে এই পদ্ধতি ব্যবহার করে। এর অসুবিধাগুলি হল উচ্চ বৃদ্ধির তাপমাত্রা, উচ্চ শক্তি খরচ এবং উচ্চ খরচ; বড় হওয়া স্ফটিকগুলির অনেক ত্রুটি রয়েছে, যা ডিভাইসের কার্যকারিতা এবং পরিষেবা জীবনকে প্রভাবিত করে।
যদিও PVT SiC গ্রোথ টেকনোলজি ইতিমধ্যেই অনেক পরিপক্ক, নিম্নলিখিত সমস্যাগুলি প্রকৃত উৎপাদনে থেকে যায়: SiC একক স্ফটিকের PVT বৃদ্ধিতে, পলিটাইপ ট্রানজিশনগুলি সহজেই ঘটে যা পলিক্রিস্টালাইন অন্তর্ভুক্তির দিকে পরিচালিত করে। SiC স্ফটিক বৃদ্ধির সময় একটি একক পলিটাইপ নিয়ন্ত্রণ করা একটি জটিল সমস্যা। উদাহরণ হিসাবে মূলধারার 4H-SiC একক স্ফটিক গ্রহণ করলে, একটি একক পলিটাইপের স্থিতিশীল বৃদ্ধি বীজ স্ফটিক পোলারিটি, বৃদ্ধির তাপমাত্রা, বৃদ্ধির চাপ, বাষ্প-ফেজ Si/C অনুপাত, এবং ডোপিং টাইপ সহ অনেক কারণের দ্বারা প্রভাবিত হয়, যার অর্থ হল SiC পলিটাইপের সুনির্দিষ্ট নিয়ন্ত্রণ আরও কঠিন হয়ে ওঠে। SiC একক স্ফটিকগুলির PVT বৃদ্ধির সময় চুল্লিতে সুনির্দিষ্ট তাপমাত্রা নিয়ন্ত্রণও একটি বিশাল চ্যালেঞ্জ রয়ে গেছে। উপরন্তু, PVT উচ্চ তাপমাত্রায় গ্যাস পরিবহন এবং প্রতিক্রিয়া প্রক্রিয়ার উপর নির্ভর করে, যা গ্যাস প্রবাহ, প্রতিক্রিয়া গতিবিদ্যা ইত্যাদির উপর উচ্চ চাহিদা রাখে।
উচ্চ-তাপমাত্রা রাসায়নিক বাষ্প জমা (HTCVD) পদ্ধতি
উচ্চ-তাপমাত্রা রাসায়নিক বাষ্প জমা (HTCVD) পদ্ধতিতে, একটি SiC বীজ স্ফটিক গ্রাফাইটের তৈরি একটি ক্রুসিবলে স্থাপন করা হয়। সিলেন এবং একটি কার্বন-যেটিতে পূর্ববর্তী গ্যাস থাকে কারণ কাঁচামাল ক্রুসিবলের নিচের চুল্লির মাধ্যমে ক্রুসিবলে প্রবেশ করে। সিলেনটি তখন সরাসরি সি ক্লাস্টারে পাইরোলাইজ করে, যা কার্বনে হাইড্রোকার্বন (CxHy) এর সাথে বিক্রিয়া করে-যেটি বীজ স্ফটিকের নিচে একটি SiC একক স্ফটিক তৈরি করে।
PVT-এর সাথে তুলনা করে, HTCVD উচ্চতর-বিশুদ্ধতার কাঁচামাল ব্যবহার করে এবং সঠিকভাবে কাঁচামালের ফিড রেট, সি/সি অনুপাত, এবং বৃদ্ধির সময় বৃদ্ধির তাপমাত্রা নিয়ন্ত্রণ করতে পারে, এইভাবে উচ্চতর-মানের SiC স্ফটিক তৈরি করে। এছাড়াও, ক্যারিয়ার গ্যাসের সরাসরি পাইরোলাইসিস অন্যান্য পদ্ধতির তুলনায় HTCVD-কে উচ্চতর শক্তি দক্ষতা দেয় এবং উচ্চ গতির বাহক গ্যাস পাইরোলাইসিস দ্বারা প্রাপ্ত ক্লাস্টারগুলিকে SiC বীজ স্ফটিকে পৌঁছাতে সাহায্য করে, তাই HTCVD অন্যান্য পদ্ধতির তুলনায় SiC ক্রিস্টালগুলিকে দ্রুত বৃদ্ধি করে৷
HTCVD-এর সুবিধা রয়েছে যেমন উচ্চ ক্রিস্টাল গুণমান, দ্রুত বৃদ্ধির হার, এবং ক্রমাগত খাওয়ানো। যাইহোক, যেহেতু বৃদ্ধির সরঞ্জাম এবং উচ্চ-বিশুদ্ধতা গ্যাস ব্যয়বহুল, এই পদ্ধতিতে উচ্চ উৎপাদন খরচ রয়েছে এবং এর বাণিজ্যিকীকরণ প্রক্রিয়া ধীর। একই সময়ে, HTCVD-এ SiC একক স্ফটিকের বৃদ্ধি, কারণ SiH4 এবং C3H8 অবশ্যই উচ্চ তাপমাত্রায় পচতে হবে এবং অবশেষে SiC বীজে স্ফটিক বৃদ্ধির আগে বিভিন্ন প্রতিক্রিয়ার মধ্য দিয়ে যেতে হবে, যদি উৎস গ্যাস খুব দ্রুত পচে যায়, তাহলে গ্যাসের ইনলেট ব্লক হয়ে যাবে; যদি উত্স গ্যাসটি খুব ধীরে ধীরে পচে যায়, তবে প্রতিক্রিয়াহীন গ্যাস গ্যাসের আউটলেটে থাকবে এবং বাধা সৃষ্টি করবে। এটি HTCVD SiC একক-ক্রিস্টাল বৃদ্ধির সরঞ্জামকে তুলনামূলকভাবে অস্থির করে তোলে। উপরন্তু, HTCVD এর উপর বর্তমান গবেষণা অপর্যাপ্ত, প্রক্রিয়াটি এখনও পরিপক্ক নয়, এবং এটি এখনও R&D পর্যায়ে রয়েছে, তাই SiC একক ক্রিস্টালের HTCVD বৃদ্ধি শিল্পে ব্যাপকভাবে ব্যবহৃত হয় না।
শীর্ষ-বীজযুক্ত সমাধান বৃদ্ধি (TSSG) পদ্ধতি
টপ-সিডেড সলিউশন গ্রোথ (TSSG) পদ্ধতিতে, সিলিকন উৎস হল একটি সিলিকন মেল্ট, এবং কার্বন উৎস হল একটি উচ্চ-বিশুদ্ধ গ্রাফাইট ক্রুসিবল। 2000 ডিগ্রির নিচে, সিলিকন গলতে কার্বনের দ্রবণীয়তা 1% এর কম, যা SiC স্ফটিক বৃদ্ধির জন্য প্রয়োজনীয় Si:C=1:1 মোলার অনুপাত পর্যন্ত পৌঁছানো কঠিন করে তোলে। এমনকি 2800 ডিগ্রিতেও, সিলিকনে কার্বনের দ্রবণীয়তা মাত্র 19%। তাই, প্রকৃত তরল-ফেজ SiC স্ফটিক বৃদ্ধির পরীক্ষায়, উচ্চ-তাপমাত্রার দ্রবণে কার্বনের দ্রবণীয়তা বাড়ানোর জন্য কিছু ফ্লাক্স যোগ করতে হবে। সাধারণ প্রবাহের মধ্যে রয়েছে Cr, Fe, Ti ইত্যাদি। স্ফটিক বৃদ্ধির সময়, গ্রাফাইট ক্রুসিবলের কার্বন ধীরে ধীরে দ্রবীভূত হয় এবং গলিত হয়ে বীজ স্ফটিকের মধ্যে পরিবাহিত হয়, যা কার্বনের ক্রমাগত সরবরাহকে সক্ষম করে। বীজ/ক্রুসিবল ঘূর্ণন গতি, তাপমাত্রা ক্ষেত্র এবং বর্তমান ফ্রিকোয়েন্সি এবং মাত্রার মতো পরামিতিগুলি নিয়ন্ত্রণ করে, উপযুক্ত তাপমাত্রার গ্রেডিয়েন্ট, চাপ গ্রেডিয়েন্ট এবং প্রবাহ ক্ষেত্রগুলি গলে তৈরি হয়, যাতে কার্বন ক্রুসিবল প্রাচীর থেকে বীজ স্ফটিকেতে পরিবহন করা যায়। যাইহোক, প্রকৃত বৃদ্ধিতে, বীজ স্ফটিক প্রায়ই দ্রবীভূত হয়, এবং পলিক্রিস্টালাইন উপাদান ক্রুসিবল প্রাচীর এবং বীজ স্ফটিকের উপর প্রসারিত হয়। অতএব, স্ফটিক বৃদ্ধির প্রক্রিয়া জুড়ে, সমগ্র সিস্টেমকে একটি উপযুক্ত গতিশীল ভারসাম্যে রাখার জন্য বৃদ্ধির পরামিতিগুলিকে সামঞ্জস্য করতে হবে, যাতে ক্রমাগত স্ফটিক বৃদ্ধি অর্জন করা যায়।
TSSG মৃদু বৃদ্ধির অবস্থার অধীনে SiC স্ফটিক প্রস্তুত করতে পারে। এটিতে প্রযুক্তিগত বৈশিষ্ট্যগুলিও রয়েছে যেমন প্রক্রিয়া প্যারামিটারগুলির গতিশীল এবং সুনির্দিষ্ট নিয়ন্ত্রণ, ক্রমাগত ব্যাস সম্প্রসারণ বৃদ্ধি এবং অভিন্ন উচ্চ পি-টাইপ ডোপিং। এটি কম-খরচ, উচ্চ-গুণমান SiC সাবস্ট্রেটের জন্য অত্যন্ত প্রতিযোগিতামূলক উদ্ভাবনী প্রযুক্তিগুলির মধ্যে একটি হয়ে উঠেছে৷ যদিও SiC স্ফটিক প্রস্তুত করার ক্ষেত্রে TSSG-এর উল্লেখযোগ্য সুবিধা রয়েছে, এটিতে উচ্চ প্রযুক্তিগত বাধাও রয়েছে, যা প্রধানত অসংখ্য প্রক্রিয়ার পরামিতিগুলিতে প্রতিফলিত হয় যা নিয়ন্ত্রিত করা প্রয়োজন; কোনো অনুপযুক্ত পরামিতি পছন্দ স্ফটিক বৃদ্ধির সময় গতিশীল ভারসাম্য ব্যাহত করতে পারে এবং গুরুতর ম্যাক্রোস্কোপিক ত্রুটি সৃষ্টি করতে পারে।