С момента своего открытия карбид кремния привлек широкое внимание. Карбид кремния состоит из половины атомов Si и половины атомов C, которые соединены ковалентными связями посредством электронных пар, разделяющих sp3-гибридные орбитали. В основной структурной единице его монокристалла четыре атома Si расположены в правильной тетраэдрической структуре, а атом C находится в центре правильного тетраэдра. И наоборот, атом Si также можно рассматривать как центр тетраэдра, образуя таким образом SiC4 или CSi4. Тетраэдрическая структура. Ковалентная связь в SiC является сильно ионной, а энергия связи кремний-углерод очень высока, около 4,47 эВ. Благодаря низкой энергии дефектов упаковки кристаллы карбида кремния легко образуют различные полиморфные модификации в процессе роста. Известно более 200 полиморфных модификаций, которые можно разделить на три основные категории: кубическая, гексагональная и тригональная.
В настоящее время основными методами выращивания кристаллов SiC являются метод физического переноса паров (метод PVT), высокотемпературное химическое осаждение из газовой фазы (метод HTCVD), метод жидкофазного осаждения и др. Среди них метод PVT является более зрелым и лучше подходит для промышленного массового производства.
Так называемый метод PVT подразумевает размещение затравочных кристаллов SiC на верхней части тигля, а порошка SiC в качестве сырья — на нижней части тигля. В замкнутой среде с высокой температурой и низким давлением порошок SiC сублимирует и поднимается вверх под действием температурного градиента и разницы концентраций. Существует метод транспортировки порошка вблизи затравочного кристалла с последующей перекристаллизацией после достижения пересыщенного состояния. Этот метод позволяет контролировать размер кристаллов SiC и получать кристаллы определенной формы.
Однако, при использовании метода PVT для выращивания кристаллов SiC необходимо постоянно поддерживать соответствующие условия роста в течение длительного процесса, иначе это приведет к нарушению кристаллической решетки, что повлияет на качество кристалла. При этом выращивание кристаллов SiC происходит в замкнутом пространстве. Существует мало эффективных методов мониторинга и много переменных, поэтому контроль процесса затруднен.
В процессе выращивания кристаллов SiC методом PVT основным механизмом стабильного роста монокристаллической формы считается ступенчатый режим роста (Step Flow Growth).
Испарившиеся атомы Si и C будут преимущественно связываться с атомами кристаллической поверхности в точке перегиба, где они будут зарождаться и расти, вызывая параллельное продвижение каждой ступени. Когда ширина ступени на поверхности кристалла значительно превышает свободный путь диффузии адатомов, большое количество адатомов может агломерироваться, и образующийся двумерный островной режим роста разрушит режим роста ступеней, что приведет к потере информации о кристаллической структуре 4H и возникновению множественных дефектов. Поэтому регулирование параметров процесса должно обеспечивать контроль над структурой поверхностных ступеней, тем самым подавляя образование полиморфных дефектов, достигая цели получения монокристаллической формы и, в конечном итоге, получения высококачественных кристаллов.
Метод физического осаждения из паровой фазы (HTCVD), как один из самых ранних разработанных методов выращивания кристаллов SiC, в настоящее время является наиболее распространенным методом выращивания кристаллов SiC. По сравнению с другими методами, этот метод предъявляет более низкие требования к оборудованию для выращивания, отличается простым процессом, высокой степенью управляемости, относительно глубокими исследованиями в области разработки и уже получил промышленное применение. Преимуществом метода HTCVD является возможность выращивания проводящих (n, p) и высокочистых полуизолирующих пластин, а также возможность контроля концентрации легирующих примесей, что позволяет регулировать концентрацию носителей заряда в пластине в диапазоне от 3×10¹³ до 5×10¹⁹/см³. Недостатками являются высокий технический порог и низкая доля рынка. По мере дальнейшего развития технологии выращивания кристаллов SiC в жидкой фазе, она продемонстрирует большой потенциал для развития всей отрасли SiC в будущем и, вероятно, станет новым прорывом в выращивании кристаллов SiC.
Дата публикации: 16 апреля 2024 г.