Seit seiner Entdeckung hat Siliciumcarbid großes Interesse geweckt. Es besteht zur Hälfte aus Silicium- und Kohlenstoffatomen, die über kovalente Bindungen durch sp³-hybridisierte Elektronenpaare verbunden sind. In der Grundstruktureinheit seines Einkristalls sind vier Siliciumatome in einer regelmäßigen Tetraederstruktur angeordnet, wobei sich das Kohlenstoffatom im Zentrum des Tetraeders befindet. Umgekehrt kann auch das Siliciumatom als Zentrum des Tetraeders betrachtet werden, wodurch SiC₄ oder CSi₄ entstehen. Die kovalente Bindung in SiC ist stark ionisch, und die Silicium-Kohlenstoff-Bindungsenergie ist mit etwa 4,47 eV sehr hoch. Aufgrund der geringen Stapelfehlerenergie bilden Siliciumcarbidkristalle während des Wachstumsprozesses leicht verschiedene Polytypen. Es sind über 200 Polytypen bekannt, die in drei Hauptkategorien unterteilt werden können: kubisch, hexagonal und trigonal.
Zu den wichtigsten Züchtungsmethoden für SiC-Kristalle zählen derzeit das physikalische Dampftransportverfahren (PVT-Verfahren), die Hochtemperatur-CVD-Methode (HTCVD-Verfahren), das Flüssigphasenverfahren usw. Das PVT-Verfahren ist dabei am ausgereiftesten und eignet sich besser für die industrielle Massenproduktion.
Das sogenannte PVT-Verfahren (Pulver-Vakuum-Transfer) beschreibt das Einbringen von SiC-Impfkristallen in einen Tiegel, wobei SiC-Pulver als Rohmaterial am Boden platziert wird. In einer geschlossenen Umgebung mit hoher Temperatur und niedrigem Druck sublimiert das SiC-Pulver und steigt aufgrund des Temperaturgradienten und der Konzentrationsdifferenz nach oben. Anschließend wird es in die Nähe der Impfkristalle transportiert und nach Erreichen eines übersättigten Zustands rekristallisiert. Mit diesem Verfahren lassen sich die Größe und die Kristallformen der SiC-Kristalle gezielt steuern.
Die Züchtung von SiC-Kristallen mittels PVT-Verfahren erfordert jedoch die konsequente Einhaltung geeigneter Wachstumsbedingungen während des gesamten Langzeitprozesses. Andernfalls kommt es zu Gitterfehlfunktionen, die die Kristallqualität beeinträchtigen. Da die SiC-Kristalle in einem geschlossenen Raum wachsen, sind die Überwachungsmöglichkeiten begrenzt und die Prozesskontrolle aufgrund der vielen Variablen schwierig.
Beim Züchten von SiC-Kristallen mittels der PVT-Methode wird der Stufenfluss-Wachstumsmodus (Step Flow Growth) als Hauptmechanismus für das stabile Wachstum eines Einkristalls angesehen.
Die verdampften Si- und C-Atome binden bevorzugt an den Knickpunkten der Kristalloberfläche, wo sie Keime bilden und wachsen. Dadurch fließt jede Stufe parallel vorwärts. Überschreitet die Stufenbreite auf der Kristalloberfläche die Diffusionslänge der Adatome deutlich, können sich zahlreiche Adatome agglomerieren. Das entstehende zweidimensionale, inselartige Wachstum stört das Stufenwachstum, was zum Verlust von Informationen über die 4H-Kristallstruktur und zur Bildung von Mehrfachdefekten führt. Daher muss die Anpassung der Prozessparameter die Kontrolle der Oberflächenstufenstruktur ermöglichen, um die Entstehung polymorpher Defekte zu unterdrücken, Einkristalle zu erhalten und letztendlich hochwertige Kristalle herzustellen.
Als frühestes Verfahren zur SiC-Kristallzüchtung ist die physikalische Dampfphasenabscheidung (HTCVD) heute das gängigste Verfahren. Im Vergleich zu anderen Methoden stellt sie geringere Anforderungen an die Anlagen, zeichnet sich durch einen einfachen Züchtungsprozess, hohe Kontrollierbarkeit und eine relativ umfassende Forschungsgrundlage aus und findet bereits industrielle Anwendung. Der Vorteil der HTCVD liegt darin, dass sie leitfähige (n, p) und hochreine, halbisolierende Wafer erzeugen und die Dotierungskonzentration so steuern kann, dass die Ladungsträgerkonzentration im Wafer zwischen 3 × 10¹³ und 5 × 10¹⁹/cm³ einstellbar ist. Zu den Nachteilen zählen der hohe technische Aufwand und der geringe Marktanteil. Mit der fortschreitenden Entwicklung der Flüssigphasen-SiC-Kristallzüchtungstechnologie birgt sie großes Potenzial für die Weiterentwicklung der gesamten SiC-Industrie und dürfte einen neuen Durchbruch in der SiC-Kristallzüchtung darstellen.
Veröffentlichungsdatum: 16. April 2024