Kể từ khi được phát hiện, silicon carbide đã thu hút được sự chú ý rộng rãi. Silicon carbide bao gồm một nửa nguyên tử Si và một nửa nguyên tử C, được kết nối bằng liên kết cộng hóa trị thông qua các cặp electron chia sẻ các orbital lai sp3. Trong đơn vị cấu trúc cơ bản của tinh thể đơn của nó, bốn nguyên tử Si được sắp xếp theo cấu trúc tứ diện đều và nguyên tử C nằm ở tâm của tứ diện đều. Ngược lại, nguyên tử Si cũng có thể được coi là tâm của tứ diện, do đó tạo thành SiC4 hoặc CSi4. Cấu trúc tứ diện. Liên kết cộng hóa trị trong SiC có tính ion cao và năng lượng liên kết silicon-cacbon rất cao, khoảng 4,47eV. Do năng lượng lỗi xếp chồng thấp, các tinh thể silicon carbide dễ dàng tạo thành nhiều loại đa hình khác nhau trong quá trình phát triển. Có hơn 200 loại đa hình đã biết, có thể chia thành ba loại chính: lập phương, lục giác và tam giác.
Hiện nay, các phương pháp phát triển tinh thể SiC chủ yếu bao gồm Phương pháp vận chuyển hơi vật lý (phương pháp PVT), Phương pháp lắng đọng hơi hóa học ở nhiệt độ cao (phương pháp HTCVD), Phương pháp pha lỏng, v.v. Trong số đó, phương pháp PVT đã hoàn thiện hơn và phù hợp hơn cho sản xuất hàng loạt trong công nghiệp.
Phương pháp PVT được gọi là phương pháp đặt tinh thể hạt giống SiC lên trên đỉnh của nồi nấu và đặt bột SiC làm nguyên liệu thô ở đáy nồi nấu. Trong môi trường khép kín có nhiệt độ cao và áp suất thấp, bột SiC thăng hoa và di chuyển lên trên dưới tác động của gradient nhiệt độ và chênh lệch nồng độ. Một phương pháp vận chuyển nó đến vùng lân cận của tinh thể hạt giống và sau đó kết tinh lại sau khi đạt đến trạng thái quá bão hòa. Phương pháp này có thể đạt được sự phát triển có thể kiểm soát được của kích thước tinh thể SiC và các dạng tinh thể cụ thể.
Tuy nhiên, sử dụng phương pháp PVT để nuôi tinh thể SiC đòi hỏi phải luôn duy trì điều kiện nuôi cấy thích hợp trong quá trình nuôi cấy dài hạn, nếu không sẽ dẫn đến mất trật tự mạng tinh thể, do đó ảnh hưởng đến chất lượng tinh thể. Tuy nhiên, quá trình nuôi cấy tinh thể SiC được hoàn thành trong không gian khép kín. Có ít phương pháp giám sát hiệu quả và nhiều biến số, do đó việc kiểm soát quy trình rất khó khăn.
Trong quá trình phát triển tinh thể SiC bằng phương pháp PVT, chế độ phát triển dòng chảy bậc thang (Step Flow Growth) được coi là cơ chế chính cho sự phát triển ổn định của dạng tinh thể đơn.
Các nguyên tử Si và nguyên tử C bay hơi sẽ liên kết ưu tiên với các nguyên tử bề mặt tinh thể tại điểm uốn, tại đó chúng sẽ hình thành hạt nhân và phát triển, khiến từng bước chảy về phía trước song song. Khi chiều rộng bước trên bề mặt tinh thể vượt xa đường tự do khuếch tán của các nguyên tử ada, một số lượng lớn các nguyên tử ada có thể kết tụ và chế độ tăng trưởng giống như đảo hai chiều được hình thành sẽ phá hủy chế độ tăng trưởng dòng chảy theo bước, dẫn đến mất thông tin về cấu trúc tinh thể 4H, dẫn đến Nhiều khuyết tật. Do đó, việc điều chỉnh các thông số quy trình phải đạt được mục tiêu kiểm soát cấu trúc bước bề mặt, do đó ngăn chặn sự phát sinh các khuyết tật đa hình, đạt được mục đích thu được dạng tinh thể đơn và cuối cùng là chuẩn bị các tinh thể chất lượng cao.
Là phương pháp phát triển tinh thể SiC được phát triển sớm nhất, phương pháp vận chuyển hơi vật lý hiện là phương pháp phát triển chính thống nhất để phát triển tinh thể SiC. So với các phương pháp khác, phương pháp này có yêu cầu thấp hơn về thiết bị phát triển, quy trình phát triển đơn giản, khả năng kiểm soát mạnh mẽ, nghiên cứu phát triển tương đối kỹ lưỡng và đã đạt được ứng dụng công nghiệp. Ưu điểm của phương pháp HTCVD là có thể phát triển các tấm bán dẫn (n, p) và bán cách điện có độ tinh khiết cao, đồng thời có thể kiểm soát nồng độ pha tạp để nồng độ chất mang trong tấm có thể điều chỉnh trong khoảng từ 3×1013~5×1019/cm3. Nhược điểm là ngưỡng kỹ thuật cao và thị phần thấp. Khi công nghệ phát triển tinh thể SiC pha lỏng tiếp tục hoàn thiện, nó sẽ cho thấy tiềm năng lớn trong việc thúc đẩy toàn bộ ngành công nghiệp SiC trong tương lai và có khả năng là một điểm đột phá mới trong phát triển tinh thể SiC.
Thời gian đăng: 16-04-2024