SiC सिलिकॉन कार्बाइड एकल क्रिस्टल की वृद्धि

सिलिकॉन कार्बाइड की खोज के बाद से ही इसने व्यापक ध्यान आकर्षित किया है। सिलिकॉन कार्बाइड आधे Si परमाणुओं और आधे C परमाणुओं से बना होता है, जो sp3 संकर कक्षकों को साझा करने वाले इलेक्ट्रॉन युग्मों के माध्यम से सहसंयोजक बंधों द्वारा जुड़े होते हैं। इसके एकल क्रिस्टल की मूल संरचनात्मक इकाई में, चार Si परमाणु एक नियमित चतुष्फलकीय संरचना में व्यवस्थित होते हैं, और C परमाणु नियमित चतुष्फलक के केंद्र में स्थित होता है। इसके विपरीत, Si परमाणु को चतुष्फलक का केंद्र भी माना जा सकता है, जिससे SiC4 या CSi4 चतुष्फलकीय संरचना बनती है। SiC में सहसंयोजक बंध अत्यधिक आयनिक होता है, और सिलिकॉन-कार्बन बंध ऊर्जा लगभग 4.47 eV होती है। कम स्टैकिंग दोष ऊर्जा के कारण, सिलिकॉन कार्बाइड क्रिस्टल वृद्धि प्रक्रिया के दौरान आसानी से विभिन्न बहुरूप बनाते हैं। 200 से अधिक ज्ञात बहुरूप हैं, जिन्हें तीन प्रमुख श्रेणियों में विभाजित किया जा सकता है: घनाकार, षट्कोणीय और त्रिभुजाकार।

वर्तमान में, SiC क्रिस्टल के विकास की मुख्य विधियों में फिजिकल वेपर ट्रांसपोर्ट मेथड (PVT विधि), हाई टेम्परेचर केमिकल वेपर डिपोजिशन (HTCVD विधि), लिक्विड फेज मेथड आदि शामिल हैं। इनमें से, PVT विधि अधिक परिपक्व और औद्योगिक बड़े पैमाने पर उत्पादन के लिए अधिक उपयुक्त है।

तथाकथित पीवीटी विधि में, क्रूसिबल के ऊपर SiC बीज क्रिस्टल रखे जाते हैं और क्रूसिबल के तल में कच्चे माल के रूप में SiC पाउडर रखा जाता है। उच्च तापमान और निम्न दबाव के बंद वातावरण में, तापमान प्रवणता और सांद्रता अंतर के प्रभाव से SiC पाउडर ऊर्ध्वपातन करता है और ऊपर की ओर बढ़ता है। इस विधि में, इसे बीज क्रिस्टल के निकट ले जाया जाता है और अतिसंतृप्त अवस्था में पहुँचने के बाद इसका पुन: क्रिस्टलीकरण किया जाता है। इस विधि से SiC क्रिस्टल के आकार और विशिष्ट क्रिस्टल रूपों की नियंत्रित वृद्धि प्राप्त की जा सकती है।
हालांकि, SiC क्रिस्टल उगाने के लिए PVT विधि का उपयोग करते समय, दीर्घकालिक विकास प्रक्रिया के दौरान उचित विकास स्थितियों को बनाए रखना आवश्यक है, अन्यथा इससे जाली में अव्यवस्था उत्पन्न हो सकती है, जिससे क्रिस्टल की गुणवत्ता प्रभावित हो सकती है। SiC क्रिस्टल का विकास एक बंद स्थान में होता है। प्रभावी निगरानी विधियाँ सीमित हैं और चर कारक अनेक हैं, इसलिए प्रक्रिया नियंत्रण कठिन है।

पीवीटी विधि द्वारा SiC क्रिस्टल को विकसित करने की प्रक्रिया में, चरणबद्ध वृद्धि मोड (स्टेप फ्लो ग्रोथ) को एकल क्रिस्टल रूप के स्थिर विकास के लिए मुख्य तंत्र माना जाता है।
वाष्पीकृत Si परमाणु और C परमाणु, क्रिस्टल की सतह पर स्थित मोड़ बिंदु पर परमाणुओं के साथ अधिमानतः बंध बनाते हैं, जहाँ वे नाभिकीय रूप से जुड़कर बढ़ते हैं, जिससे प्रत्येक चरण समानांतर रूप से आगे बढ़ता है। जब क्रिस्टल की सतह पर चरण की चौड़ाई, एडैटमों के विसरण मुक्त पथ से कहीं अधिक हो जाती है, तो बड़ी संख्या में एडैटम एकत्रित हो सकते हैं, और बनने वाला द्वि-आयामी द्वीप-समान वृद्धि तंत्र, चरण प्रवाह वृद्धि तंत्र को नष्ट कर देता है, जिसके परिणामस्वरूप 4H क्रिस्टल संरचना की जानकारी नष्ट हो जाती है और कई दोष उत्पन्न हो जाते हैं। इसलिए, प्रक्रिया मापदंडों का समायोजन सतह चरण संरचना को नियंत्रित करने के लिए आवश्यक है, जिससे बहुरूपी दोषों के निर्माण को रोका जा सके, एकल क्रिस्टल रूप प्राप्त किया जा सके और अंततः उच्च गुणवत्ता वाले क्रिस्टल तैयार किए जा सकें।

SiC क्रिस्टल वृद्धि की सबसे प्रारंभिक विकसित विधि के रूप में, भौतिक वाष्प परिवहन विधि (HTCVD) वर्तमान में SiC क्रिस्टल वृद्धि की सबसे प्रचलित विधि है। अन्य विधियों की तुलना में, इस विधि में वृद्धि उपकरणों की आवश्यकता कम होती है, वृद्धि प्रक्रिया सरल है, नियंत्रणीयता प्रबल है, विकास अनुसंधान अपेक्षाकृत व्यापक है, और यह औद्योगिक अनुप्रयोग में भी आ चुकी है। HTCVD विधि का लाभ यह है कि यह चालक (n, p) और उच्च-शुद्धता वाले अर्ध-अचालक वेफर्स को विकसित कर सकती है, और डोपिंग सांद्रता को नियंत्रित कर सकती है ताकि वेफर में वाहक सांद्रता 3×10¹³ से 5×10¹⁹/cm³ के बीच समायोज्य हो। इसके नुकसान उच्च तकनीकी बाधा और कम बाजार हिस्सेदारी हैं। तरल-चरण SiC क्रिस्टल वृद्धि प्रौद्योगिकी के परिपक्व होने के साथ, यह भविष्य में संपूर्ण SiC उद्योग को आगे बढ़ाने में अपार क्षमता प्रदर्शित करेगी और SiC क्रिस्टल वृद्धि में एक नया महत्वपूर्ण मोड़ साबित हो सकती है।