Löytönsä jälkeen piikarbidi on herättänyt laajaa huomiota. Piikarbidi koostuu puolet piiatomista ja puolet hiiliatomista, jotka ovat yhteydessä toisiinsa kovalenttisilla sidoksilla elektroniparien kautta, jotka jakavat sp3-hybridiorbitaaleja. Sen yksittäisen kiteen perusrakenneyksikössä neljä piiatomia on järjestäytynyt säännölliseen tetraedrirakenteeseen, ja hiiliatomi sijaitsee säännöllisen tetraedrin keskellä. Kääntäen, piiatomia voidaan pitää myös tetraedrin keskuksena, jolloin muodostuu SiC4 tai CSi4. Tetraedrinen rakenne. Piikarbidin kovalenttinen sidos on erittäin ioninen ja pii-hiilisidoksen energia on erittäin korkea, noin 4,47 eV. Alhaisen pinoamisvirheenergian vuoksi piikarbidikiteet muodostavat helposti erilaisia polytyyppejä kasvuprosessin aikana. Tunnetaan yli 200 polytyyppiä, jotka voidaan jakaa kolmeen pääluokkaan: kuutiollisiin, kuusikulmaisiin ja trigonaalisiin.
Tällä hetkellä piikarbidikiteiden tärkeimpiä kasvatusmenetelmiä ovat fysikaalinen höyrykuljetusmenetelmä (PVT-menetelmä), korkean lämpötilan kemiallinen höyrypinnoitus (HTCVD-menetelmä) ja nestefaasimenetelmä. Näistä PVT-menetelmä on kypsempi ja soveltuu paremmin teolliseen massatuotantoon.
Niin kutsutussa PVT-menetelmässä piikarbidijauhetta (SiC) asetetaan sulatusastian päälle ja raaka-aineeksi tarkoitettua piikarbidijauhetta pohjalle. Suljetussa ympäristössä, jossa vallitsee korkea lämpötila ja matala paine, piikarbidijauhe sublimoituu ja liikkuu ylöspäin lämpötilagradientin ja pitoisuuseron vaikutuksesta. Kyseessä on menetelmä, jossa jauhe kuljetetaan siemenkiteen läheisyyteen ja kiteytetään uudelleen ylikyllästyneen tilan saavuttamisen jälkeen. Tällä menetelmällä voidaan saavuttaa piikarbidikiteiden koon ja tiettyjen kidemuotojen hallittu kasvu.
PVT-menetelmän käyttö piikarbidikiteiden kasvattamiseen edellyttää kuitenkin aina sopivien kasvuolosuhteiden ylläpitämistä pitkäaikaisen kasvuprosessin aikana, muuten se johtaa hilarakenteen epäjärjestymiseen ja siten kiteen laatuun. Piikarbidikiteiden kasvu tapahtuu kuitenkin suljetussa tilassa. Tehokkaita valvontamenetelmiä on vähän ja muuttujia paljon, joten prosessinohjaus on vaikeaa.
SiC-kiteiden kasvatusprosessissa PVT-menetelmällä porrasvirtauskasvua (Step Flow Growth) pidetään tärkeimpänä mekanismina yksittäisen kidemuodon vakaalle kasvulle.
Höyrystyneet pii- ja hiiliatomit sitoutuvat ensisijaisesti kiteen pinnan atomeihin taittumiskohdassa, jossa ne ydintyvät ja kasvavat, jolloin jokainen askelma virtaa eteenpäin rinnakkain. Kun askelleveys kiteen pinnalla ylittää huomattavasti adatomien diffuusiovapaan reitin, suuri määrä adatomeja voi agglomeroitua ja muodostunut kaksiulotteinen saarekemainen kasvutila tuhoaa askelmavirtauskasvutilan, mikä johtaa 4H-kiderakennetiedon menetykseen ja useiden virheiden syntymiseen. Siksi prosessiparametrien säätämisen on saavutettava pinnan askelrakenteen hallinta, jolloin polymorfisten virheiden syntyminen estyy, saavutetaan yksittäinen kidemuoto ja lopulta valmistetaan korkealaatuisia kiteitä.
Varhaisimpana kehitettynä piikarbidikiteiden kasvatusmenetelmänä fysikaalinen höyrykuljetusmenetelmä on tällä hetkellä yleisin piikarbidikiteiden kasvatusmenetelmä. Verrattuna muihin menetelmiin tällä menetelmällä on alhaisemmat vaatimukset kasvatuslaitteistolle, yksinkertainen kasvatusprosessi, hyvä hallittavuus, suhteellisen perusteellinen kehitystutkimus ja se on jo saavuttanut teollisen sovelluksen. HTCCVD-menetelmän etuna on, että sillä voidaan kasvattaa johtavia (n, p) ja erittäin puhtaita puolieristäviä kiekkoja, ja seostuspitoisuutta voidaan säätää siten, että kiekon kantajapitoisuus on säädettävissä välillä 3 × 1013 ~ 5 × 1019/cm3. Haittoja ovat korkea tekninen kynnys ja pieni markkinaosuus. Nestefaasisen piikarbidikiteiden kasvatusteknologian kehittyessä sillä on suuri potentiaali koko piikarbiditeollisuuden edistämisessä tulevaisuudessa ja se todennäköisesti on uusi läpimurto piikarbidikiteiden kasvussa.
Julkaisun aika: 16.4.2024