Seit seiner Entdeckung hat Siliziumkarbid große Aufmerksamkeit erregt. Siliziumkarbid besteht zur Hälfte aus Si- und zur Hälfte aus C-Atomen, die über kovalente Bindungen über Elektronenpaare mit gemeinsamen sp3-Hybridorbitalen verbunden sind. In der grundlegenden Struktureinheit seines Einkristalls sind vier Si-Atome in einer regelmäßigen Tetraederstruktur angeordnet, und das C-Atom befindet sich im Zentrum des regelmäßigen Tetraeders. Umgekehrt kann das Si-Atom auch als Zentrum des Tetraeders betrachtet werden, wodurch SiC4 oder CSi4 gebildet wird. Tetraederstruktur. Die kovalente Bindung in SiC ist stark ionisch und die Silizium-Kohlenstoff-Bindungsenergie ist sehr hoch, etwa 4,47 eV. Aufgrund der niedrigen Stapelfehlerenergie bilden Siliziumkarbidkristalle während des Wachstumsprozesses leicht verschiedene Polytypen. Es sind mehr als 200 Polytypen bekannt, die in drei Hauptkategorien unterteilt werden können: kubisch, hexagonal und trigonal.
Zu den wichtigsten Züchtungsmethoden für SiC-Kristalle zählen derzeit das physikalische Dampftransportverfahren (PVT-Verfahren), die chemische Gasphasenabscheidung bei hohen Temperaturen (HTCVD-Verfahren) und das Flüssigphasenverfahren. Unter diesen ist das PVT-Verfahren ausgereifter und für die industrielle Massenproduktion besser geeignet.
Bei der sogenannten PVT-Methode werden SiC-Kristalle oben im Tiegel und SiC-Pulver als Rohmaterial unten im Tiegel platziert. In einer geschlossenen Umgebung mit hoher Temperatur und niedrigem Druck sublimiert das SiC-Pulver und steigt unter dem Einfluss von Temperaturgradienten und Konzentrationsunterschieden nach oben. Das Pulver wird in die Nähe des Impfkristalls transportiert und nach Erreichen des übersättigten Zustands rekristallisiert. Mit dieser Methode lassen sich kontrollierte SiC-Kristallgrößen und spezifische Kristallformen erreichen.
Die Verwendung der PVT-Methode zur Züchtung von SiC-Kristallen erfordert jedoch die Einhaltung geeigneter Wachstumsbedingungen während des langfristigen Wachstumsprozesses, da sonst Gitterstörungen auftreten und die Qualität des Kristalls beeinträchtigt wird. Das Wachstum von SiC-Kristallen erfolgt jedoch in einem geschlossenen Raum. Es gibt nur wenige effektive Überwachungsmethoden und viele Variablen, was die Prozesskontrolle erschwert.
Beim Züchten von SiC-Kristallen mit der PVT-Methode gilt der Stufenflusswachstumsmodus (Step Flow Growth) als Hauptmechanismus für das stabile Wachstum einer Einkristallform.
Die verdampften Si- und C-Atome verbinden sich bevorzugt mit Atomen der Kristalloberfläche am Knickpunkt, bilden dort Keime und wachsen, wodurch jede Stufe parallel verläuft. Übersteigt die Stufenbreite auf der Kristalloberfläche die Diffusionsfreiweglänge der Adatome deutlich, können sich viele Adatome agglomerieren. Das entstehende zweidimensionale, inselartige Wachstumsmuster zerstört das Stufenwachstum. Dies führt zum Verlust der 4H-Kristallstrukturinformationen und somit zur Bildung multipler Defekte. Daher muss durch die Anpassung der Prozessparameter die Oberflächenstufenstruktur kontrolliert werden, um die Entstehung polymorpher Defekte zu unterdrücken, eine Einkristallform zu erhalten und letztendlich hochwertige Kristalle herzustellen.
Als ältestes Verfahren zur Züchtung von SiC-Kristallen ist die physikalische Dampfphasenabscheidung (HTCVD) derzeit das gängigste Verfahren. Im Vergleich zu anderen Verfahren stellt diese Methode geringere Anforderungen an die Züchtungsausrüstung, ist einfach im Wachstumsprozess, lässt sich gut steuern, erfordert eine vergleichsweise gründliche Entwicklungsforschung und wird bereits industriell angewendet. Der Vorteil der HTCVD-Methode besteht darin, dass leitfähige (n, p) und hochreine, halbisolierende Wafer gezüchtet werden können und die Dotierungskonzentration so gesteuert werden kann, dass die Trägerkonzentration im Wafer zwischen 3 × 1013 und 5 × 1019/cm3 einstellbar ist. Die Nachteile sind der hohe technische Aufwand und der geringe Marktanteil. Mit der Weiterentwicklung der Flüssigphasen-SiC-Kristallzüchtungstechnologie wird sie großes Potenzial für die zukünftige Weiterentwicklung der gesamten SiC-Industrie zeigen und wahrscheinlich einen Durchbruch in der SiC-Kristallzüchtung darstellen.
Veröffentlichungszeit: 16. April 2024