Fin dalla sua scoperta, il carburo di silicio ha suscitato un ampio interesse. Il carburo di silicio è composto per metà da atomi di Si e per metà da atomi di C, collegati da legami covalenti attraverso coppie di elettroni che condividono orbitali ibridi sp3. Nell'unità strutturale di base del suo monocristallo, quattro atomi di Si sono disposti in una struttura tetraedrica regolare e l'atomo di C si trova al centro del tetraedro regolare. Viceversa, l'atomo di Si può anche essere considerato il centro del tetraedro, formando così SiC4 o CSi4. La struttura tetraedrica. Il legame covalente nel SiC è fortemente ionico e l'energia del legame silicio-carbonio è molto elevata, circa 4,47 eV. A causa della bassa energia di difetto di impilamento, i cristalli di carburo di silicio formano facilmente vari politipi durante il processo di crescita. Esistono più di 200 politipi noti, che possono essere suddivisi in tre categorie principali: cubico, esagonale e trigonale.
Attualmente, i principali metodi di crescita dei cristalli di SiC includono il metodo di trasporto fisico in fase vapore (metodo PVT), la deposizione chimica da fase vapore ad alta temperatura (metodo HTCVD), il metodo in fase liquida, ecc. Tra questi, il metodo PVT è il più maturo e più adatto alla produzione industriale di massa.
Il cosiddetto metodo PVT prevede di posizionare i cristalli seme di SiC nella parte superiore del crogiolo e la polvere di SiC, utilizzata come materia prima, nella parte inferiore. In un ambiente chiuso ad alta temperatura e bassa pressione, la polvere di SiC sublima e risale verso l'alto sotto l'azione del gradiente di temperatura e della differenza di concentrazione. Un metodo consiste nel trasportarla in prossimità del cristallo seme e quindi ricristallizzarla dopo aver raggiunto uno stato di sovrasaturazione. Questo metodo consente di ottenere una crescita controllata delle dimensioni dei cristalli di SiC e di ottenere forme cristalline specifiche.
Tuttavia, l'utilizzo del metodo PVT per la crescita di cristalli di SiC richiede il mantenimento costante di condizioni di crescita appropriate durante l'intero processo, altrimenti si verificherà un disordine reticolare che comprometterà la qualità del cristallo. Inoltre, la crescita dei cristalli di SiC avviene in uno spazio chiuso. Esistono pochi metodi di monitoraggio efficaci e molte variabili, pertanto il controllo del processo risulta difficile.
Nel processo di crescita dei cristalli di SiC mediante il metodo PVT, la modalità di crescita a flusso graduale (Step Flow Growth) è considerata il meccanismo principale per la crescita stabile di una forma monocristallina.
Gli atomi di Si e C vaporizzati si legheranno preferenzialmente agli atomi della superficie del cristallo nel punto di piega, dove si formeranno nuclei e cresceranno, causando il flusso parallelo di ciascun gradino in avanti. Quando la larghezza del gradino sulla superficie del cristallo supera di gran lunga il cammino libero di diffusione degli atomi adsorbiti, un gran numero di atomi adsorbiti può agglomerarsi e la modalità di crescita bidimensionale a forma di isola che si forma distruggerà la modalità di crescita a flusso di gradini, con conseguente perdita di informazioni sulla struttura cristallina 4H e formazione di molteplici difetti. Pertanto, la regolazione dei parametri di processo deve consentire il controllo della struttura dei gradini superficiali, sopprimendo così la generazione di difetti polimorfici, raggiungendo l'obiettivo di ottenere una forma monocristallina e, in definitiva, preparando cristalli di alta qualità.
Il metodo di trasporto fisico in fase vapore (HTCVD), il primo metodo di crescita di cristalli di SiC sviluppato, è attualmente il metodo più diffuso. Rispetto ad altri metodi, presenta requisiti inferiori per le apparecchiature di crescita, un processo di crescita semplice, un'elevata controllabilità, una ricerca di sviluppo relativamente approfondita e ha già raggiunto applicazioni industriali. Il vantaggio del metodo HTCVD risiede nella possibilità di far crescere wafer conduttivi (n, p) e semi-isolanti ad alta purezza, e nel controllo della concentrazione di drogaggio, che consente di regolare la concentrazione di portatori di carica nel wafer tra 3×10¹³ e 5×10¹⁹/cm³. Gli svantaggi sono rappresentati dall'elevata soglia tecnologica e dalla bassa quota di mercato. Con il continuo sviluppo della tecnologia di crescita di cristalli di SiC in fase liquida, essa mostrerà un grande potenziale per il progresso dell'intero settore del SiC in futuro e probabilmente rappresenterà un nuovo punto di svolta nella crescita di cristalli di SiC.
Data di pubblicazione: 16 aprile 2024