Depuis sa découverte, le carbure de silicium a suscité un vif intérêt. Il est composé à parts égales d'atomes de silicium (Si) et de carbone (C), liés par des liaisons covalentes via des paires d'électrons partageant des orbitales hybrides sp³. Dans l'unité structurale de base de son monocristal, quatre atomes de Si sont disposés selon une structure tétraédrique régulière, l'atome de C occupant le centre de chaque tétraèdre. Réciproquement, un atome de Si peut également être considéré comme le centre du tétraèdre, formant ainsi SiC₄ ou CSi₄. La liaison covalente dans SiC est fortement ionique, et l'énergie de liaison silicium-carbone est très élevée, d'environ 4,47 eV. Du fait de la faible énergie de défaut d'empilement, les cristaux de carbure de silicium forment facilement divers polytypes lors de leur croissance. On dénombre plus de 200 polytypes connus, que l'on peut classer en trois grandes catégories : cubique, hexagonal et trigonal.
Actuellement, les principales méthodes de croissance des cristaux de SiC comprennent la méthode de transport physique en phase vapeur (méthode PVT), le dépôt chimique en phase vapeur à haute température (méthode HTCVD), la méthode en phase liquide, etc. Parmi elles, la méthode PVT est la plus aboutie et la plus adaptée à la production industrielle de masse.
La méthode dite PVT consiste à placer des germes cristallins de SiC au-dessus du creuset et de la poudre de SiC comme matière première au fond. Dans un environnement clos à haute température et basse pression, la poudre de SiC se sublime et remonte sous l'effet du gradient de température et de la différence de concentration. Elle est ainsi transportée à proximité des germes cristallins, puis recristallisée une fois l'état de sursaturation atteint. Cette méthode permet de contrôler la taille et la forme des cristaux de SiC.
Cependant, la méthode PVT pour la croissance de cristaux de SiC exige le maintien constant de conditions de croissance appropriées tout au long du processus, sous peine de provoquer des désordres cristallins et d'affecter la qualité du cristal. Or, la croissance des cristaux de SiC se déroule en espace clos. Le nombre de méthodes de contrôle efficaces étant limité et les variables nombreuses, la maîtrise du procédé s'avère complexe.
Dans le processus de croissance des cristaux de SiC par la méthode PVT, le mode de croissance par flux d'étapes (Step Flow Growth) est considéré comme le principal mécanisme pour la croissance stable d'une forme monocristalline.
Les atomes de Si et de C vaporisés se lient préférentiellement aux atomes de surface du cristal au niveau des points de coude, où ils nucléent et croissent, provoquant ainsi une propagation parallèle des marches. Lorsque la largeur des marches à la surface du cristal dépasse largement le libre parcours moyen des adatomes, un grand nombre d'entre eux peuvent s'agglomérer. Le mode de croissance bidimensionnel en îlots qui se forme alors perturbe la propagation des marches, entraînant une perte d'informations structurales du cristal 4H et la formation de défauts multiples. Par conséquent, l'ajustement des paramètres de procédé doit permettre de contrôler la structure des marches de surface, supprimant ainsi la génération de défauts polymorphes, afin d'obtenir une structure monocristalline et, in fine, des cristaux de haute qualité.
La méthode de dépôt physique en phase vapeur (HTCVD), première méthode de croissance de cristaux de SiC développée, est actuellement la plus répandue. Comparée aux autres méthodes, elle présente l'avantage d'exiger moins d'équipements, d'être simple, très contrôlable, d'avoir fait l'objet de recherches approfondies et d'être déjà utilisée à l'échelle industrielle. La méthode HTCVD permet la croissance de plaquettes conductrices (n, p) et semi-isolantes de haute pureté, et offre un contrôle précis de la concentration de dopage, permettant d'ajuster la concentration de porteurs dans la plaquette entre 3 × 10¹³ et 5 × 10¹⁹ cm⁻³. Ses inconvénients résident dans son niveau de complexité technique élevé et sa faible part de marché. À mesure que la technologie de croissance de cristaux de SiC en phase liquide continue de mûrir, elle présente un fort potentiel pour le développement de l'ensemble de l'industrie du SiC et pourrait constituer une avancée majeure dans ce domaine.
Date de publication : 16 avril 2024