Depuis sa découverte, le carbure de silicium a suscité un vif intérêt. Il est composé d'atomes de silicium (moitié Si) et de carbone (moitié C), reliés par des liaisons covalentes par des paires d'électrons partageant des orbitales hybrides sp3. Dans l'unité structurale de base de son monocristal, quatre atomes de silicium sont disposés selon une structure tétraédrique régulière, l'atome de carbone étant situé au centre de ce tétraèdre. Inversement, l'atome de silicium peut également être considéré comme le centre du tétraèdre, formant ainsi SiC4 ou CSi4. Structure tétraédrique. La liaison covalente du SiC est fortement ionique et l'énergie de liaison silicium-carbone est très élevée, environ 4,47 eV. Grâce à leur faible énergie de défaut d'empilement, les cristaux de carbure de silicium forment facilement divers polytypes au cours de leur croissance. Il existe plus de 200 polytypes connus, répartis en trois grandes catégories : cubique, hexagonal et trigonal.
À l'heure actuelle, les principales méthodes de croissance des cristaux de SiC comprennent la méthode de transport physique de vapeur (méthode PVT), le dépôt chimique en phase vapeur à haute température (méthode HTCVD), la méthode en phase liquide, etc. Parmi elles, la méthode PVT est plus mature et plus adaptée à la production industrielle de masse.
La méthode dite PVT consiste à placer des germes cristallins de SiC au sommet du creuset et de la poudre de SiC comme matière première au fond. Dans un environnement fermé à haute température et basse pression, la poudre de SiC se sublime et se déplace vers le haut sous l'effet du gradient de température et de la différence de concentration. Cette méthode permet de la transporter à proximité du germe cristallin, puis de la recristalliser après avoir atteint un état de sursaturation. Cette méthode permet une croissance contrôlée de la taille des cristaux de SiC et de formes cristallines spécifiques.
Cependant, l'utilisation de la méthode PVT pour la croissance de cristaux de SiC nécessite de maintenir des conditions de croissance appropriées tout au long du processus, sous peine de provoquer un désordre du réseau cristallin, affectant ainsi la qualité du cristal. Or, la croissance des cristaux de SiC s'effectue en espace clos. Les méthodes de surveillance efficaces étant rares et les variables nombreuses, le contrôle du processus est difficile.
Dans le processus de croissance de cristaux de SiC par la méthode PVT, le mode de croissance par écoulement par étapes (Step Flow Growth) est considéré comme le principal mécanisme de croissance stable d'une forme monocristalline.
Les atomes de silicium et de carbone vaporisés se lieront préférentiellement aux atomes de surface du cristal au point de pliure, où ils se nucléeront et croîtront, entraînant un écoulement parallèle de chaque gradin vers l'avant. Lorsque la largeur du gradin à la surface du cristal dépasse largement le libre parcours de diffusion des adatomes, un grand nombre d'adatomes peuvent s'agglomérer, et le mode de croissance bidimensionnel en îlots formé perturbera le mode de croissance par écoulement par gradins, entraînant la perte d'informations sur la structure cristalline 4H et la formation de multiples défauts. Par conséquent, l'ajustement des paramètres du procédé doit permettre de contrôler la structure du gradin de surface, supprimant ainsi la génération de défauts polymorphes, permettant ainsi d'obtenir une forme monocristalline et, in fine, de préparer des cristaux de haute qualité.
En tant que méthode de croissance cristalline de SiC la plus ancienne, la méthode de transport physique de vapeur est actuellement la plus répandue. Comparée à d'autres méthodes, elle nécessite moins d'équipements de croissance, son processus est simple, sa contrôlabilité est excellente, elle a fait l'objet de recherches approfondies et a déjà atteint des applications industrielles. L'avantage de la méthode HTCVD réside dans sa capacité à produire des plaquettes conductrices (n, p) et semi-isolantes de haute pureté, et à contrôler la concentration de dopage pour ajuster la concentration de porteurs dans la plaquette entre 3 × 1013 et 5 × 1019/cm3. Ses inconvénients sont un seuil technique élevé et une faible part de marché. À mesure que la technologie de croissance cristalline de SiC en phase liquide continue de mûrir, elle présentera un fort potentiel pour l'ensemble de l'industrie du SiC à l'avenir et constituera probablement une nouvelle avancée majeure dans la croissance cristalline de SiC.
Date de publication : 16 avril 2024