З моменту свого відкриття карбід кремнію привернув широку увагу. Карбід кремнію складається наполовину з атомів Si та наполовину з атомів C, які з'єднані ковалентними зв'язками через електронні пари, що мають спільні sp3-гібридні орбіталі. В основній структурній одиниці його монокристала чотири атоми Si розташовані в правильній тетраедричній структурі, а атом C розташований у центрі правильного тетраедра. І навпаки, атом Si також можна розглядати як центр тетраедра, утворюючи таким чином SiC4 або CSi4. Тетраедрична структура. Ковалентний зв'язок у SiC є високоіонним, а енергія зв'язку кремній-вуглець дуже висока, близько 4,47 еВ. Завдяки низькій енергії дефектів пакування кристали карбіду кремнію легко утворюють різні політипи під час процесу росту. Існує понад 200 відомих політипів, які можна розділити на три основні категорії: кубічні, гексагональні та тригональні.
Наразі основними методами вирощування кристалів SiC є метод фізичного транспортування з парової фази (метод PVT), високотемпературне хімічне осадження з парової фази (метод HTCVD), рідкофазний метод тощо. Серед них метод PVT є більш зрілим і більш придатним для промислового масового виробництва.
Так званий метод PVT стосується розміщення зародкових кристалів SiC на верхній частині тигля, а порошку SiC як сировини — на дні тигля. У замкнутому середовищі з високою температурою та низьким тиском порошок SiC сублімується та рухається вгору під дією градієнта температури та різниці концентрацій. Це метод транспортування його поблизу зародкового кристала та подальшої перекристалізації після досягнення перенасиченого стану. Цей метод дозволяє досягти контрольованого зростання розміру кристалів SiC та певних кристалічних форм.
Однак, використання методу PVT для вирощування кристалів SiC вимагає постійного підтримання відповідних умов росту протягом тривалого процесу, інакше це призведе до порушення кристалічної решітки, що вплине на якість кристала. Однак, вирощування кристалів SiC відбувається у замкнутому просторі. Існує мало ефективних методів моніторингу та багато змінних, тому контроль процесу є складним.
У процесі вирощування кристалів SiC методом PVT основним механізмом стабільного росту монокристалічної форми вважається режим ступінчастого росту (Step Flow Growth).
Випаровані атоми Si та C переважно зв'язуватимуться з атомами поверхні кристала в точці перегину, де вони будуть зароджуватися та рости, змушуючи кожну сходинку рухатися паралельно. Коли ширина сходинки на поверхні кристала значно перевищує довжину вільного шляху дифузії адатомів, велика кількість адатомів може агломеруватися, і утворений двовимірний острівцеподібний режим росту зруйнує режим росту сходинки, що призведе до втрати інформації про кристалічну структуру 4H та, як наслідок, до появи множинних дефектів. Тому регулювання параметрів процесу має забезпечити контроль над структурою поверхневої сходинки, тим самим пригнічуючи утворення поліморфних дефектів, досягаючи мети отримання монокристалічної форми та, зрештою, підготовлюючи високоякісні кристали.
Як найдавніший розроблений метод вирощування кристалів SiC, метод фізичного перенесення пари наразі є найпоширенішим методом вирощування кристалів SiC. Порівняно з іншими методами, цей метод має менші вимоги до обладнання для вирощування, простий процес вирощування, сильну керованість, відносно ретельні дослідження в галузі розробки та вже досяг промислового застосування. Перевагою методу HTCUD є те, що він може вирощувати провідні (n, p) та високочисті напівізолюючі пластини, а також може контролювати концентрацію легування таким чином, щоб концентрація носіїв у пластині регулювалася в межах 3×1013~5×1019/см3. Недоліками є високий технічний поріг та низька частка ринку. Оскільки технологія вирощування кристалів SiC у рідкій фазі продовжує розвиватися, вона продемонструє великий потенціал для розвитку всієї індустрії SiC у майбутньому та, ймовірно, стане новим проривом у вирощуванні кристалів SiC.
Час публікації: 16 квітня 2024 р.