Από την ανακάλυψή του, το καρβίδιο του πυριτίου έχει προσελκύσει ευρεία προσοχή. Το καρβίδιο του πυριτίου αποτελείται από μισά άτομα Si και μισά άτομα C, τα οποία συνδέονται με ομοιοπολικούς δεσμούς μέσω ζευγών ηλεκτρονίων που μοιράζονται υβριδικά τροχιακά sp3. Στη βασική δομική μονάδα του μονοκρυστάλλου του, τέσσερα άτομα Si είναι διατεταγμένα σε μια κανονική τετραεδρική δομή και το άτομο C βρίσκεται στο κέντρο του κανονικού τετραέδρου. Αντίθετα, το άτομο Si μπορεί επίσης να θεωρηθεί ως το κέντρο του τετραέδρου, σχηματίζοντας έτσι SiC4 ή CSi4. Τετραεδρική δομή. Ο ομοιοπολικός δεσμός στο SiC είναι έντονα ιοντικός και η ενέργεια δεσμού πυριτίου-άνθρακα είναι πολύ υψηλή, περίπου 4,47eV. Λόγω της χαμηλής ενέργειας σφάλματος στοίβαξης, οι κρύσταλλοι καρβιδίου του πυριτίου σχηματίζουν εύκολα διάφορους πολυτύπους κατά τη διάρκεια της διαδικασίας ανάπτυξης. Υπάρχουν περισσότεροι από 200 γνωστοί πολυτύποι, οι οποίοι μπορούν να χωριστούν σε τρεις κύριες κατηγορίες: κυβικοί, εξαγωνικοί και τριγωνικοί.
Προς το παρόν, οι κύριες μέθοδοι ανάπτυξης κρυστάλλων SiC περιλαμβάνουν τη Μέθοδο Φυσικής Μεταφοράς Ατμών (μέθοδος PVT), την Εναπόθεση Χημικών Ατμών σε Υψηλή Θερμοκρασία (μέθοδος HTCVD), τη Μέθοδο Υγρής Φάσης κ.λπ. Μεταξύ αυτών, η μέθοδος PVT είναι πιο ώριμη και πιο κατάλληλη για βιομηχανική μαζική παραγωγή.
Η λεγόμενη μέθοδος PVT αναφέρεται στην τοποθέτηση κρυστάλλων πυρήνων SiC στην κορυφή του χωνευτηρίου και στην τοποθέτηση σκόνης SiC ως πρώτης ύλης στον πυθμένα του χωνευτηρίου. Σε κλειστό περιβάλλον υψηλής θερμοκρασίας και χαμηλής πίεσης, η σκόνη SiC εξαχνώνεται και κινείται προς τα πάνω υπό την επίδραση της θερμοκρασιακής διαβάθμισης και της διαφοράς συγκέντρωσης. Μια μέθοδος μεταφοράς της κοντά στον κρύσταλλο πυρήνων και στη συνέχεια ανακρυστάλλωσής της αφού φτάσει σε υπερκορεσμένη κατάσταση. Αυτή η μέθοδος μπορεί να επιτύχει ελεγχόμενη ανάπτυξη του μεγέθους των κρυστάλλων SiC και συγκεκριμένων κρυσταλλικών μορφών.
Ωστόσο, η χρήση της μεθόδου PVT για την ανάπτυξη κρυστάλλων SiC απαιτεί πάντα τη διατήρηση κατάλληλων συνθηκών ανάπτυξης κατά τη διάρκεια της μακροπρόθεσμης διαδικασίας ανάπτυξης, διαφορετικά θα οδηγήσει σε διαταραχή του πλέγματος, επηρεάζοντας έτσι την ποιότητα του κρυστάλλου. Ωστόσο, η ανάπτυξη των κρυστάλλων SiC ολοκληρώνεται σε κλειστό χώρο. Υπάρχουν λίγες αποτελεσματικές μέθοδοι παρακολούθησης και πολλές μεταβλητές, επομένως ο έλεγχος της διαδικασίας είναι δύσκολος.
Κατά τη διαδικασία ανάπτυξης κρυστάλλων SiC με τη μέθοδο PVT, ο τρόπος ανάπτυξης με σταδιακή ροή (Step Flow Growth) θεωρείται ο κύριος μηχανισμός για τη σταθερή ανάπτυξη μιας μονοκρυσταλλικής μορφής.
Τα εξατμισμένα άτομα Si και τα άτομα C θα συνδεθούν κατά προτίμηση με άτομα της κρυσταλλικής επιφάνειας στο σημείο συστροφής, όπου θα σχηματίσουν πυρήνες και θα αναπτυχθούν, προκαλώντας κάθε βήμα να ρέει παράλληλα προς τα εμπρός. Όταν το πλάτος του βήματος στην κρυσταλλική επιφάνεια υπερβαίνει κατά πολύ την ελεύθερη διάχυση διαδρομή των αδατόμων, ένας μεγάλος αριθμός αδατόμων μπορεί να συσσωματωθεί και ο δισδιάστατος τρόπος ανάπτυξης που μοιάζει με νησίδα θα καταστρέψει τον τρόπο ανάπτυξης ροής βήματος, με αποτέλεσμα την απώλεια πληροφοριών κρυσταλλικής δομής 4H, με αποτέλεσμα πολλαπλά ελαττώματα. Επομένως, η προσαρμογή των παραμέτρων της διεργασίας πρέπει να επιτύχει τον έλεγχο της δομής βήματος της επιφάνειας, καταστέλλοντας έτσι τη δημιουργία πολυμορφικών ελαττωμάτων, επιτυγχάνοντας τον σκοπό της απόκτησης μιας μονοκρυσταλλικής μορφής και τελικά την παρασκευή κρυστάλλων υψηλής ποιότητας.
Ως η παλαιότερη αναπτυγμένη μέθοδος ανάπτυξης κρυστάλλων SiC, η μέθοδος φυσικής μεταφοράς ατμών είναι σήμερα η πιο διαδεδομένη μέθοδος ανάπτυξης για την ανάπτυξη κρυστάλλων SiC. Σε σύγκριση με άλλες μεθόδους, αυτή η μέθοδος έχει χαμηλότερες απαιτήσεις για εξοπλισμό ανάπτυξης, απλή διαδικασία ανάπτυξης, ισχυρή δυνατότητα ελέγχου, σχετικά διεξοδική έρευνα ανάπτυξης και έχει ήδη επιτύχει βιομηχανική εφαρμογή. Το πλεονέκτημα της μεθόδου HTCVD είναι ότι μπορεί να αναπτύξει αγώγιμες (n, p) και ημιμονωτικές πλακέτες υψηλής καθαρότητας και μπορεί να ελέγξει τη συγκέντρωση πρόσμιξης έτσι ώστε η συγκέντρωση φορέα στη πλακέτα να είναι ρυθμιζόμενη μεταξύ 3×1013~5×1019/cm3. Τα μειονεκτήματα είναι το υψηλό τεχνικό όριο και το χαμηλό μερίδιο αγοράς. Καθώς η τεχνολογία ανάπτυξης κρυστάλλων SiC υγρής φάσης συνεχίζει να ωριμάζει, θα δείξει μεγάλο δυναμικό στην προώθηση ολόκληρης της βιομηχανίας SiC στο μέλλον και είναι πιθανό να αποτελέσει ένα νέο σημείο καμπής στην ανάπτυξη κρυστάλλων SiC.
Ώρα δημοσίευσης: 16 Απριλίου 2024