צמיחה של סיליקון קרביד סיליקון יחיד גביש

מאז גילויו, סיליקון קרביד משך תשומת לב רחבה. סיליקון קרביד מורכב מחצי אטומי Si וחצי אטומי C, המחוברים בקשרים קוולנטיים דרך זוגות אלקטרונים החולקים אורביטלים היברידיים מסוג sp3. ביחידה המבנית הבסיסית של הגביש היחיד שלו, ארבעה אטומי Si מסודרים במבנה טטרהדרלי רגיל, ואטום C ממוקם במרכז הטטרהדרון הרגיל. לעומת זאת, ניתן להתייחס לאטום Si כמרכז הטטרהדרון, ובכך ליצור SiC4 או CSi4. מבנה טטרהדרלי. הקשר הקוולנטי ב-SiC הוא מאוד יוני, ואנרגיית הקשר הסיליקון-פחמן גבוהה מאוד, בערך 4.47eV. בשל אנרגיית תקלות הערימה הנמוכה, גבישי סיליקון קרביד יוצרים בקלות פוליטיפים שונים במהלך תהליך הצמיחה. ישנם יותר מ-200 פוליטיפים ידועים, אותם ניתן לחלק לשלוש קטגוריות עיקריות: מעוקב, משושה וטריגונל.

נכון להיום, שיטות הגידול העיקריות של גבישי SiC כוללות שיטת הובלת אדים פיזית (שיטת PVT), שכבת אדים כימית בטמפרטורה גבוהה (שיטת HTCVD), שיטת Liquid Phase ועוד. ביניהן שיטת PVT בוגרת יותר ומתאימה יותר לתעשייתית. ייצור המוני. ‏

מה שנקרא שיטת PVT מתייחסת להנחת גבישי זרעי SiC על החלק העליון של כור ההיתוך, והנחת אבקת SiC כחומר גלם בתחתית הכור. בסביבה סגורה של טמפרטורה גבוהה ולחץ נמוך, אבקת SiC עוברת סובלימציה ונעה כלפי מעלה תחת פעולת שיפוע טמפרטורה והפרשי ריכוז. שיטה לשינוע אותו לקרבת גביש הזרע ולאחר מכן לגבשו מחדש לאחר הגעה למצב על רווי. שיטה זו יכולה להשיג צמיחה ניתנת לשליטה של ​​גודל גביש SiC וצורות גבישים ספציפיות. ‏
עם זאת, שימוש בשיטת PVT לגידול גבישי SiC מצריך שמירה תמידית על תנאי גדילה מתאימים במהלך תהליך הצמיחה ארוך הטווח, אחרת זה יוביל להפרעת סריג, ובכך ישפיע על איכות הגביש. עם זאת, הצמיחה של גבישי SiC הושלמה בחלל סגור. יש מעט שיטות ניטור יעילות ומשתנים רבים, ולכן בקרת תהליכים קשה.

בתהליך גידול גבישי SiC בשיטת PVT, מצב הצמיחה של זרימת מדרגה (Step Flow Growth) נחשב למנגנון העיקרי לצמיחה יציבה של צורת גביש בודדת.
אטומי ה-Si המאוד ואטומי ה-C יתחברו עדיפות לאטומי פני השטח של גביש בנקודת הקיפול, שם הם יתגלעו ויגדלו, מה שיגרום לכל צעד לזרום קדימה במקביל. כאשר רוחב הצעד על פני הגביש חורג בהרבה מהנתיב החופשי של אטאומים, מספר רב של אטאומים עלול להצטבר, ומצב הצמיחה הדו-מימדי דמוי האי הנוצר יהרוס את מצב הצמיחה של זרימת המדרגות, וכתוצאה מכך אובדן של 4H מידע על מבנה הגביש, וכתוצאה מכך מספר פגמים. לכן, התאמת פרמטרי התהליך חייבת להשיג את השליטה במבנה צעדי פני השטח, ובכך לדכא את יצירת פגמים פולימורפיים, להשיג את המטרה של קבלת צורת גביש בודדת, ובסופו של דבר הכנת גבישים באיכות גבוהה.

כשיטת הגידול הקדומה ביותר של גבישי SiC, שיטת הובלת האדים הפיזיקלית היא כיום שיטת הגידול המרכזית ביותר לגידול גבישי SiC. בהשוואה לשיטות אחרות, לשיטה זו דרישות נמוכות יותר לציוד גידול, תהליך גידול פשוט, יכולת שליטה חזקה, מחקר פיתוח יסודי יחסית, וכבר השיגה יישום תעשייתי. היתרון של שיטת HTCVD הוא בכך שהיא יכולה לגדל פרוסות מבודדות למחצה מוליכות (n, p) ובטוהר גבוה, ויכולה לשלוט בריכוז הסימום כך שריכוז הנשא בפרוסה מתכוונן בין 3×1013~5×1019 /cm3. החסרונות הם סף טכני גבוה ונתח שוק נמוך. ככל שטכנולוגיית הצמיחה של גבישי SiC בשלב נוזלי ממשיכה להבשיל, היא תציג פוטנציאל גדול בקידום תעשיית ה- SiC כולה בעתיד, וסביר להניח שתהווה נקודת פריצת דרך חדשה בצמיחת גבישי SiC.