Sinds de ontdekking ervan heeft siliciumcarbide veel aandacht getrokken. Siliciumcarbide bestaat voor de helft uit Si-atomen en voor de helft uit C-atomen, die met elkaar verbonden zijn door covalente bindingen via elektronenparen die sp3-hybride orbitalen delen. In de basisstructuur van een enkel kristal zijn vier Si-atomen gerangschikt in een regelmatige tetraëderstructuur, waarbij het C-atoom zich in het midden van de tetraëder bevindt. Omgekeerd kan het Si-atoom ook als het midden van de tetraëder worden beschouwd, waardoor SiC4 of CSi4 ontstaat. De covalente binding in SiC is sterk ionisch en de bindingsenergie tussen silicium en koolstof is zeer hoog, ongeveer 4,47 eV. Door de lage stapelfoutenergie vormen siliciumcarbidekristallen gemakkelijk verschillende polytypen tijdens het groeiproces. Er zijn meer dan 200 bekende polytypen, die kunnen worden onderverdeeld in drie hoofdcategorieën: kubisch, hexagonaal en trigonaal.
Momenteel omvatten de belangrijkste groeimethoden voor SiC-kristallen de Physical Vapor Transport-methode (PVT-methode), de High Temperature Chemical Vapor Deposition-methode (HTCVD-methode) en de Liquid Phase-methode. De PVT-methode is hiervan de meest ontwikkelde en meest geschikte methode voor industriële massaproductie.
De zogenaamde PVT-methode houdt in dat SiC-kiemkristallen bovenin de smeltkroes worden geplaatst en SiC-poeder als grondstof onderin. In een gesloten omgeving met hoge temperatuur en lage druk sublimeert het SiC-poeder en stijgt het op onder invloed van het temperatuurgradiënt en het concentratieverschil. Het poeder wordt vervolgens naar de omgeving van het kiemkristal getransporteerd en herkristalliseerd nadat een oververzadigde toestand is bereikt. Met deze methode kan een gecontroleerde groei van de SiC-kristalgrootte en specifieke kristalvormen worden bereikt.
Het gebruik van de PVT-methode voor de groei van SiC-kristallen vereist echter dat gedurende het langdurige groeiproces voortdurend de juiste groeiomstandigheden worden gehandhaafd. Anders leidt dit tot roosterverstoring, wat de kwaliteit van het kristal beïnvloedt. De groei van SiC-kristallen vindt echter plaats in een afgesloten ruimte. Er zijn weinig effectieve monitoringmethoden en veel variabelen, waardoor procesbeheersing moeilijk is.
Bij het kweken van SiC-kristallen met de PVT-methode wordt de stapsgewijze groeimodus (Step Flow Growth) beschouwd als het belangrijkste mechanisme voor de stabiele groei van een enkelkristal.
De verdampte Si-atomen en C-atomen binden zich bij voorkeur aan atomen aan het kristaloppervlak op het knikpunt, waar ze kiemen vormen en groeien, waardoor elke stap parallel vooruit stroomt. Wanneer de stapbreedte op het kristaloppervlak de diffusievrije weg van de adatomen ruimschoots overschrijdt, kunnen grote aantallen adatomen agglomereren. De gevormde tweedimensionale eilandachtige groeiwijze verstoort dan de stapstroomgroeiwijze, wat leidt tot verlies van 4H-kristalstructuurinformatie en de vorming van meerdere defecten. Daarom moet de aanpassing van de procesparameters gericht zijn op het beheersen van de oppervlaktestapstructuur, waardoor de vorming van polymorfe defecten wordt onderdrukt, het doel wordt bereikt om een enkelkristal te verkrijgen en uiteindelijk hoogwaardige kristallen te produceren.
De fysische damptransportmethode (HTCVD), de vroegst ontwikkelde methode voor de groei van SiC-kristallen, is momenteel de meest gangbare methode. Vergeleken met andere methoden stelt deze methode lagere eisen aan de groei-apparatuur, heeft een eenvoudig groeiproces, een hoge beheersbaarheid, is relatief grondig ontwikkeld en wordt al industrieel toegepast. Het voordeel van de HTCVD-methode is dat er geleidende (n, p) en zeer zuivere semi-isolerende wafers mee kunnen worden gekweekt en dat de doteringsconcentratie kan worden geregeld, waardoor de ladingsdragerconcentratie in de wafer instelbaar is tussen 3×10¹³ en 5×10¹⁹/cm³. De nadelen zijn de hoge technische drempel en het lage marktaandeel. Naarmate de vloeistoffase SiC-kristalgroeitechnologie zich verder ontwikkelt, zal deze een groot potentieel tonen voor de vooruitgang van de gehele SiC-industrie in de toekomst en waarschijnlijk een nieuwe doorbraak betekenen in de SiC-kristalgroei.
Geplaatst op: 16 april 2024