Fin dalla sua scoperta, il carburo di silicio ha attirato grande attenzione. Il carburo di silicio è composto per metà da atomi di Si e per metà da atomi di C, connessi 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. Struttura tetraedrica. Il legame covalente nel SiC è altamente ionico e l'energia di legame silicio-carbonio è molto elevata, circa 4,47 eV. Grazie alla bassa energia di faglia di impilamento, i cristalli di carburo di silicio formano facilmente vari politipi durante il processo di crescita. Sono noti più di 200 politipi, 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 da vapore (metodo PVT), la deposizione chimica da 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 il posizionamento di cristalli di SiC sulla parte superiore del crogiolo e di polvere di SiC come materia prima sul fondo. In un ambiente chiuso ad alta temperatura e bassa pressione, la polvere di SiC sublima e si muove verso l'alto sotto l'azione del gradiente di temperatura e della differenza di concentrazione. Un metodo consiste nel trasportarla in prossimità del cristallo di SiC e poi ricristallizzarla dopo aver raggiunto uno stato di sovrasaturazione. Questo metodo consente di ottenere una crescita controllabile delle dimensioni dei cristalli di SiC e di forme cristalline specifiche.
Tuttavia, l'utilizzo del metodo PVT per la crescita di cristalli di SiC richiede sempre il mantenimento di condizioni di crescita adeguate durante il processo di crescita a lungo termine, altrimenti si verificherà un disordine reticolare, che comprometterà la qualità del cristallo. Tuttavia, la crescita dei cristalli di SiC avviene in uno spazio chiuso. Esistono pochi metodi di monitoraggio efficaci e numerose variabili, quindi 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 di C vaporizzati si legheranno preferenzialmente agli atomi della superficie cristallina nel punto di piega, dove nucleeranno e cresceranno, facendo sì che ogni gradino scorra in avanti in parallelo. Quando la larghezza del gradino sulla superficie cristallina supera di gran lunga il percorso libero di diffusione degli adatomi, un gran numero di adatomi può agglomerarsi e la modalità di crescita bidimensionale a forma di isola che si forma distruggerà la modalità di crescita a gradino, con conseguente perdita di informazioni sulla struttura cristallina del 4H e conseguente formazione di difetti multipli. Pertanto, la regolazione dei parametri di processo deve raggiungere il controllo della struttura a gradino superficiale, sopprimendo così la generazione di difetti polimorfici, raggiungendo l'obiettivo di ottenere una forma monocristallina e, in definitiva, preparando cristalli di alta qualità.
Essendo il primo metodo di crescita dei cristalli di SiC sviluppato, il metodo di trasporto fisico da vapore è attualmente il metodo di crescita più diffuso per la crescita dei cristalli di SiC. Rispetto ad altri metodi, questo metodo richiede meno attrezzature per la crescita, è semplice nel processo, offre un'elevata controllabilità, è stato oggetto di una ricerca di sviluppo relativamente approfondita e ha già trovato applicazione industriale. Il vantaggio del metodo HTCVD è la possibilità di coltivare wafer conduttivi (n, p) e semiisolanti ad alta purezza, e di controllare la concentrazione di drogaggio in modo che la concentrazione di portatori nel wafer sia regolabile tra 3×10¹³~5×10¹³/cm³. Gli svantaggi sono l'elevata soglia tecnica e la bassa quota di mercato. Con il continuo sviluppo della tecnologia di crescita dei cristalli di SiC in fase liquida, mostrerà un grande potenziale per il progresso dell'intero settore del SiC in futuro e probabilmente rappresenterà una nuova svolta nella crescita dei cristalli di SiC.
Data di pubblicazione: 16 aprile 2024