SiC炭化ケイ素単結晶の育成

発見以来、炭化ケイ素は広く注目を集めています。炭化ケイ素は半分の Si 原子と半分の C 原子で構成されており、sp3 混成軌道を共有する電子対を介した共有結合によって結合されています。単結晶の基本構造単位は、4 個の Si 原子が正四面体構造に配置されており、その正四面体の中心に C 原子が位置しています。逆に、Si 原子を四面体の中心とみなすこともでき、SiC4 または CSi4 が形成されます。四面体構造。 SiC の共有結合はイオン性が高く、シリコンと炭素の結合エネルギーは約 4.47eV と非常に高くなります。積層欠陥エネルギーが低いため、炭化ケイ素結晶は成長プロセス中にさまざまなポリタイプを容易に形成します。既知のポリタイプは 200 以上あり、立方体、六角形、および三角形の 3 つの主要なカテゴリに分類できます。

現在、SiC 結晶の主な成長方法には、物理​​気相輸送法 (PVT 法)、高温化学気相成長法 (HTCVD 法)、液相法などが含まれます。その中でも、PVT 法はより成熟しており、工業用に適しています。量産。 ​

いわゆるPVT法とは、るつぼの上部にSiCの種結晶を置き、るつぼの底に原料となるSiC粉末を入れる方法です。高温低圧の密閉環境では、温度勾配や濃度差の作用によりSiC粉末が昇華し、上方に移動します。種結晶の近くまで輸送し、過飽和状態にして再結晶させる方法。この方法では、SiC 結晶サイズと特定の結晶形の制御可能な成長を実現できます。 ​
しかし、PVT法でSiC結晶を成長させるには、長期間の成長プロセスにおいて常に適切な成長条件を維持する必要があり、そうでないと格子乱れが発生し、結晶の品質に影響を及ぼします。しかし、SiC結晶の成長は密閉空間内で完了します。効果的なモニタリング方法が少なく、変数が多いため、プロセス制御が困難です。

PVT法によるSiC結晶の成長プロセスにおいては、ステップフロー成長モード(Step Flow Growth)が単結晶形を安定して成長させる主な機構と考えられている。
蒸発した Si 原子と C 原子はキンク点で結晶表面の原子と優先的に結合し、そこで核生成して成長し、各ステップが並行して前方に流れます。結晶表面のステップ幅が吸着原子の拡散自由行程を大きく超える場合、多数の吸着原子が凝集し、形成される二次元島状成長モードによりステップフロー成長モードが破壊され、4Hが失われることになります。結晶構造情報、結果として複数の欠陥が発生します。したがって、プロセスパラメータの調整は、表面ステップ構造の制御を達成し、それによって多形欠陥の発生を抑制し、単結晶形を得るという目的を達成し、最終的には高品質の結晶を調製する必要がある。

物理的気相輸送法は最も早く開発されたSiC結晶成長法であり、現在ではSiC結晶成長法として最も主流となっている。この方法は他の方法と比較して、成長設備の必要性が低く、成長プロセスが簡単で、制御性が高く、開発研究が比較的徹底されており、既に産業応用が達成されている。 HTCVD 法の利点は、導電性 (n、p) で高純度の半絶縁性ウェーハを成長でき、ウェーハ内のキャリア濃度を 3×1013 ～ 5×1019 の間で調整できるようにドーピング濃度を制御できることです。 /cm3。欠点は、技術的敷居が高いことと市場シェアが低いことです。液相SiC結晶成長技術は成熟を続けるため、将来的にはSiC産業全体を発展させる大きな可能性を示し、SiC結晶成長における新たなブレークスルーポイントとなる可能性が高い。