Crecemento de monocristal de carburo de silicio SiC

Desde o seu descubrimento, o carburo de silicio atraeu unha atención xeneralizada. O carburo de silicio está composto por metade de átomos de Si e metade de C, que están conectados por enlaces covalentes a través de pares de electróns que comparten orbitais híbridos sp3. Na unidade estrutural básica do seu monocristal, catro átomos de Si están dispostos nunha estrutura tetraédrica regular, e o átomo de C está situado no centro do tetraedro regular. Pola contra, o átomo de Si tamén pode considerarse o centro do tetraedro, formando así SiC4 ou CSi4. Estrutura tetraédrica. A unión covalente no SiC é altamente iónica e a enerxía de enlace silicio-carbono é moi alta, duns 4,47 eV. Debido á baixa enerxía de falla de apilamento, os cristais de carburo de silicio forman facilmente varios politipos durante o proceso de crecemento. Coñécense máis de 200 politipos, que se poden dividir en tres categorías principais: cúbico, hexagonal e trigonal.

Na actualidade, os principais métodos de crecemento de cristais de SiC inclúen o método de transporte físico de vapor (método PVT), a deposición química de vapor a alta temperatura (método HTCVD), o método de fase líquida, etc. Entre eles, o método PVT é o máis maduro e máis axeitado para a produción industrial en masa.

O método PVT consiste en colocar cristais de semente de SiC na parte superior do crisol e colocar po de SiC como materia prima na parte inferior do crisol. Nun ambiente pechado de alta temperatura e baixa presión, o po de SiC sublímase e móvese cara arriba baixo a acción do gradiente de temperatura e a diferenza de concentración. Trátase dun método que consiste en transportalo ás proximidades do cristal de semente e logo recristalizalo despois de alcanzar un estado sobresaturado. Este método pode conseguir un crecemento controlable do tamaño do cristal de SiC e de formas cristalinas específicas.
Non obstante, o uso do método PVT para cultivar cristais de SiC require manter sempre unhas condicións de crecemento axeitadas durante o proceso de crecemento a longo prazo, xa que se non, isto provocará un desorden da rede, o que afectará á calidade do cristal. Non obstante, o crecemento dos cristais de SiC realízase nun espazo pechado. Existen poucos métodos de monitorización eficaces e moitas variables, polo que o control do proceso é difícil.

No proceso de crecemento de cristais de SiC mediante o método PVT, o modo de crecemento por fluxo escalonado (Step Flow Growth) considérase o principal mecanismo para o crecemento estable dunha forma monocristalina.
Os átomos de Si e C vaporizados uniranse preferentemente cos átomos da superficie cristalina no punto de curvatura, onde nuclearán e crecerán, facendo que cada paso flúa cara adiante en paralelo. Cando a anchura do paso na superficie cristalina supera con creces a vía libre de difusión dos adatomos, pode aglomerarse un gran número de adatomos, e o modo de crecemento bidimensional en forma de illa formado destruirá o modo de crecemento do fluxo por pasos, o que provocará a perda de información da estrutura cristalina 4H, o que provocará múltiples defectos. Polo tanto, o axuste dos parámetros do proceso debe lograr o control da estrutura do paso superficial, suprimindo así a xeración de defectos polimórficos, conseguindo o propósito de obter unha forma de monocristal e, en última instancia, preparando cristais de alta calidade.

Como o método de crecemento de cristais de SiC desenvolvido máis cedo, o método de transporte físico de vapor é actualmente o método de crecemento máis común para o crecemento de cristais de SiC. En comparación con outros métodos, este método ten requisitos máis baixos para o equipo de crecemento, un proceso de crecemento sinxelo, unha forte controlabilidade, unha investigación de desenvolvemento relativamente exhaustiva e xa acadou aplicación industrial. A vantaxe do método HTCVD é que pode cultivar obleas semiillantes condutoras (n, p) e de alta pureza, e pode controlar a concentración de dopaxe para que a concentración do portador na oblea sexa axustable entre 3 × 1013 ~ 5 × 1019/cm3. As desvantaxes son o alto limiar técnico e a baixa cota de mercado. A medida que a tecnoloxía de crecemento de cristais de SiC en fase líquida continúa madurando, mostrará un gran potencial para o avance de toda a industria do SiC no futuro e é probable que sexa un novo punto de inflexión no crecemento de cristais de SiC.