Seit seiner Entdeckung hat Siliziumkarbid große Aufmerksamkeit erregt. Siliziumkarbid besteht zur Hälfte aus Si-Atomen und zur Hälfte aus C-Atomen, die durch kovalente Bindungen über Elektronenpaare verbunden sind, die sich sp3-Hybridorbitale teilen. In der Grundstruktureinheit seines Einkristalls sind vier Si-Atome in einer regelmäßigen Tetraederstruktur angeordnet, und das C-Atom befindet sich im Zentrum des regelmäßigen Tetraeders. Umgekehrt kann das Si-Atom auch als Zentrum des Tetraeders betrachtet werden und so SiC4 bzw. CSi4 bilden. Tetraederstruktur. Die kovalente Bindung in SiC ist stark ionisch und die Silizium-Kohlenstoff-Bindungsenergie ist sehr hoch, etwa 4,47 eV. Aufgrund der geringen Stapelfehlerenergie bilden Siliziumkarbidkristalle während des Wachstumsprozesses leicht verschiedene Polytypen. Es sind mehr als 200 Polytypen bekannt, die in drei Hauptkategorien unterteilt werden können: kubisch, hexagonal und trigonal.
Zu den wichtigsten Wachstumsmethoden für SiC-Kristalle gehören derzeit die physikalische Dampftransportmethode (PVT-Methode), die chemische Gasphasenabscheidung bei hoher Temperatur (HTCVD-Methode), die Flüssigphasenmethode usw. Unter diesen ist die PVT-Methode ausgereifter und besser für die Industrie geeignet Massenproduktion.
Bei der sogenannten PVT-Methode werden SiC-Impfkristalle oben auf dem Tiegel platziert und SiC-Pulver als Rohmaterial unten im Tiegel platziert. In einer geschlossenen Umgebung mit hoher Temperatur und niedrigem Druck sublimiert das SiC-Pulver und bewegt sich unter der Wirkung von Temperaturgradienten und Konzentrationsunterschieden nach oben. Eine Methode, um es in die Nähe des Impfkristalls zu transportieren und es dann nach Erreichen eines übersättigten Zustands zu rekristallisieren. Mit dieser Methode kann ein kontrollierbares Wachstum der SiC-Kristallgröße und spezifischer Kristallformen erreicht werden.
Die Verwendung der PVT-Methode zur Züchtung von SiC-Kristallen erfordert jedoch die Einhaltung geeigneter Wachstumsbedingungen während des langfristigen Wachstumsprozesses, da es andernfalls zu einer Gitterstörung kommt, die sich auf die Qualität des Kristalls auswirkt. Das Wachstum von SiC-Kristallen findet jedoch in einem geschlossenen Raum statt. Es gibt nur wenige wirksame Überwachungsmethoden und viele Variablen, sodass die Prozesskontrolle schwierig ist.
Bei der Züchtung von SiC-Kristallen mit der PVT-Methode wird der Stufenfluss-Wachstumsmodus (Step Flow Growth) als Hauptmechanismus für das stabile Wachstum einer Einkristallform angesehen.
Die verdampften Si- und C-Atome verbinden sich bevorzugt mit den Kristalloberflächenatomen am Knickpunkt, wo sie Keime bilden und wachsen, wodurch jeder Schritt parallel vorwärts fließt. Wenn die Stufenbreite auf der Kristalloberfläche den diffusionsfreien Weg der Adatome bei weitem überschreitet, kann eine große Anzahl von Adatomen agglomerieren, und der gebildete zweidimensionale inselartige Wachstumsmodus zerstört den Stufenfluss-Wachstumsmodus, was zum Verlust von 4H führt Informationen zur Kristallstruktur, was zu mehreren Defekten führt. Daher muss durch die Anpassung der Prozessparameter die Kontrolle der Oberflächenstufenstruktur erreicht werden, wodurch die Entstehung polymorpher Defekte unterdrückt wird, das Ziel erreicht wird, eine Einkristallform zu erhalten und letztendlich Kristalle hoher Qualität herzustellen.
Als die am frühesten entwickelte Methode zur Züchtung von SiC-Kristallen ist die physikalische Dampftransportmethode derzeit die gängigste Züchtungsmethode für die Züchtung von SiC-Kristallen. Im Vergleich zu anderen Methoden stellt diese Methode geringere Anforderungen an die Wachstumsausrüstung, einen einfachen Wachstumsprozess, eine gute Steuerbarkeit, relativ gründliche Entwicklungsforschung und hat bereits industrielle Anwendung gefunden. Der Vorteil des HTCVD-Verfahrens besteht darin, dass es leitfähige (n, p) und hochreine halbisolierende Wafer wachsen lassen und die Dotierungskonzentration so steuern kann, dass die Trägerkonzentration im Wafer zwischen 3×1013 und 5×1019 einstellbar ist /cm3. Die Nachteile sind eine hohe technische Schwelle und ein geringer Marktanteil. Da die Flüssigphasen-SiC-Kristallzüchtungstechnologie weiter ausgereift ist, wird sie großes Potenzial für den Fortschritt der gesamten SiC-Industrie in der Zukunft aufweisen und wahrscheinlich einen neuen Durchbruch in der SiC-Kristallzüchtung darstellen.
Zeitpunkt der Veröffentlichung: 16. April 2024