Od momentu odkrycia węglik krzemu przyciągnął powszechną uwagę. Węglik krzemu składa się z atomów Si (w połowie) i atomów C (w połowie), połączonych wiązaniami kowalencyjnymi poprzez pary elektronowe dzielące orbitale hybrydowe sp3. W podstawowej jednostce strukturalnej jego monokryształu cztery atomy Si są ułożone w regularną strukturę tetraedryczną, a atom C znajduje się w centrum regularnego czworościanu. Odwrotnie, atom Si można również uznać za środek czworościanu, tworząc w ten sposób SiC4 lub CSi4. Struktura tetraedryczna. Wiązanie kowalencyjne w SiC jest silnie jonowe, a energia wiązania krzem-węgiel jest bardzo wysoka, około 4,47 eV. Ze względu na niską energię błędu ułożenia, kryształy węglika krzemu łatwo tworzą różne politypy podczas procesu wzrostu. Znanych jest ponad 200 politypów, które można podzielić na trzy główne kategorie: sześcienne, heksagonalne i trygonalne.
Obecnie głównymi metodami wzrostu kryształów SiC są metoda fizycznego transportu z fazy gazowej (metoda PVT), osadzanie chemiczne z fazy gazowej w wysokiej temperaturze (metoda HTCVD), metoda fazy ciekłej itp. Spośród nich metoda PVT jest bardziej dopracowana i bardziej odpowiednia do masowej produkcji przemysłowej.
Tak zwana metoda PVT polega na umieszczeniu kryształów zarodkowych SiC na górze tygla, a proszku SiC jako surowca na dnie tygla. W zamkniętym środowisku o wysokiej temperaturze i niskim ciśnieniu, proszek SiC sublimuje i przemieszcza się ku górze pod wpływem gradientu temperatury i różnicy stężeń. Metoda ta polega na transportowaniu go w pobliże kryształu zarodkowego, a następnie rekrystalizacji po osiągnięciu stanu przesycenia. Metoda ta pozwala na kontrolowany wzrost wielkości kryształów SiC i uzyskanie określonych form krystalicznych.
Jednakże, stosowanie metody PVT do hodowli kryształów SiC wymaga ciągłego utrzymywania odpowiednich warunków wzrostu podczas długotrwałego procesu, w przeciwnym razie doprowadzi to do zaburzeń sieci krystalicznej, co wpłynie na jakość kryształu. Należy jednak pamiętać, że wzrost kryształów SiC odbywa się w zamkniętej przestrzeni. Istnieje niewiele skutecznych metod monitorowania i wiele zmiennych, co utrudnia kontrolę procesu.
W procesie hodowli kryształów SiC metodą PVT, tryb wzrostu krokowego (Step Flow Growth) jest uważany za główny mechanizm stabilnego wzrostu monokryształu.
Odparowane atomy Si i C będą preferencyjnie wiązać się z atomami na powierzchni kryształu w punkcie załamania, gdzie będą zarodkować i rosnąć, powodując równoległy przepływ każdego stopnia. Gdy szerokość stopnia na powierzchni kryształu znacznie przekroczy swobodną drogę dyfuzji adatomów, duża liczba adatomów może się aglomerować, a dwuwymiarowy, wyspowy tryb wzrostu zniszczy tryb wzrostu przepływu schodkowego, co doprowadzi do utraty informacji o strukturze kryształu 4H, a w efekcie do powstania wielu defektów. Dlatego też, dostosowanie parametrów procesu musi zapewnić kontrolę nad strukturą stopnia powierzchni, zapobiegając w ten sposób powstawaniu defektów polimorficznych, osiągając cel, jakim jest uzyskanie monokryształu i ostatecznie uzyskanie kryształów wysokiej jakości.
Metoda fizycznego transportu pary, będąca najwcześniej opracowaną metodą wzrostu kryształów SiC, jest obecnie najpopularniejszą metodą wzrostu kryształów SiC. W porównaniu z innymi metodami, charakteryzuje się ona niższymi wymaganiami co do sprzętu, prostym procesem wzrostu, wysoką sterowalnością, stosunkowo dogłębnymi badaniami rozwojowymi i znalazła już zastosowanie przemysłowe. Zaletą metody HTCVD jest możliwość wzrostu płytek przewodzących (n, p) i półizolacyjnych o wysokiej czystości, a także możliwość kontrolowania stężenia domieszek, dzięki czemu stężenie nośników w płytce można regulować w zakresie 3×1013–5×1019/cm³. Wadami są wysoki próg techniczny i niski udział w rynku. Wraz z rozwojem technologii wzrostu kryształów SiC w fazie ciekłej, będzie ona miała ogromny potencjał w rozwoju całego przemysłu SiC w przyszłości i prawdopodobnie stanie się nowym przełomem w hodowli kryształów SiC.
Czas publikacji: 16 kwietnia 2024 r.