Kể từ khi được phát hiện, cacbua silic đã thu hút sự chú ý rộng rãi. Cacbua silic được cấu tạo từ một nửa nguyên tử Si và một nửa nguyên tử C, liên kết với nhau bằng liên kết cộng hóa trị thông qua các cặp electron chia sẻ các obitan lai hóa sp3. Trong đơn vị cấu trúc cơ bản của tinh thể đơn, 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 silic-cacbon rất cao, khoảng 4,47 eV. Do năng lượng lỗi xếp chồng thấp, tinh thể cacbua silic dễ dàng hình thành nhiều dạng thù hình khác nhau trong quá trình phát triển. Có hơn 200 dạng thù hình đã biết, có thể được chia thành ba loại chính: lập phương, lục giác và tam giác.
Hiện nay, các phương pháp chính để nuôi cấy tinh thể SiC 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 đó, phương pháp PVT đã hoàn thiện hơn và phù hợp hơn cho sản xuất hàng loạt trong công nghiệp.
Phương pháp PVT (Personal-Variable Transfer Volume) đề cập đến việc đặt các tinh thể mầm SiC ở phía trên nồi nung, và đặt bột SiC làm nguyên liệu thô ở đáy nồi nung. Trong môi trường 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. Phương pháp này vận chuyển bột đến gần tinh thể mầm và sau đó tái kết tinh sau khi đạt trạng thái bão hòa quá mức. Phương pháp này có thể kiểm soát được sự phát triển của kích thước tinh thể SiC và các hình dạng tinh thể cụ thể.
Tuy nhiên, việc sử dụng phương pháp PVT để nuôi cấy tinh thể SiC đòi hỏi phải luôn duy trì các điều kiện nuôi cấy thích hợp trong suốt quá trình nuôi cấy lâu dài, nếu không sẽ dẫn đến rối loạn mạng tinh thể, ảnh hưởng đến chất lượng tinh thể. Hơn nữa, quá trình nuôi cấy tinh thể SiC được thực hiện trong không gian kín. Có rất ít phương pháp giám sát hiệu quả và nhiều biến số, do đó việc kiểm soát quá trình rất khó khăn.
Trong quá trình nuôi cấy tinh thể SiC bằng phương pháp PVT, chế độ tăng trưởng theo dòng 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 C bị hóa hơi sẽ ưu tiên liên kết với các nguyên tử bề mặt tinh thể tại điểm uốn, nơi chúng sẽ hình thành mầm và phát triển, khiến mỗi bậc thang chảy về phía trước song song. Khi chiều rộng bậc thang trên bề mặt tinh thể vượt xa quãng đường khuếch tán tự do của các nguyên tử bám dính, một lượng lớn các nguyên tử bám dính có thể kết tụ lại, và chế độ tăng trưởng dạng đảo hai chiều được hình thành sẽ phá hủy chế độ tăng trưởng dòng bậc thang, dẫn đến mất thông tin cấu trúc tinh thể 4H, gây ra nhiều khuyết tật. Do đó, việc điều chỉnh các thông số quy trình phải đạt được sự kiểm soát cấu trúc bậc thang bề mặt, từ đó ngăn chặn sự hình thành 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 nuôi cấy tinh thể SiC được phát triển sớm nhất, phương pháp vận chuyển hơi vật lý (HTCVD) hiện là phương pháp nuôi cấy chủ đạo nhất để phát triển tinh thể SiC. So với các phương pháp khác, phương pháp này có yêu cầu thấp hơn về thiết bị nuôi cấy, quy trình nuôi cấy đơn giản, khả năng kiểm soát cao, 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 nuôi cấy các tấm bán dẫn (n, p) và bán dẫn cách điện có độ tinh khiết cao, và có thể kiểm soát nồng độ pha tạp sao cho nồng độ chất mang trong tấm bán dẫn có thể điều chỉnh từ 3×10¹³ đến 5×10¹⁹/cm³. Nhược điểm là ngưỡng kỹ thuật cao và thị phần thấp. Khi công nghệ nuôi cấy tinh thể SiC pha lỏng tiếp tục hoàn thiện, nó sẽ cho thấy tiềm năng to lớn trong việc thúc đẩy toàn bộ ngành công nghiệp SiC trong tương lai và có khả năng trở thành một bước đột phá mới trong nuôi cấy tinh thể SiC.
Thời gian đăng bài: 16/04/2024