Kể từ khi được phát hiện, cacbua silic đã thu hút được sự chú ý rộng rãi. Cacbua silic bao gồm một nửa nguyên tử Si và một nửa nguyên tử C, được kết nối bằng liên kết cộng hóa trị thông qua các cặp electron có chung quỹ đạo lai sp3. Trong đơn vị cấu trúc cơ bản của tinh thể đơn của nó, bốn nguyên tử Si được sắp xếp theo cấu trúc tứ diện đều và nguyên tử C nằm ở trung tâm của tứ diện đều. Ngược lại, nguyên tử Si cũng có thể được coi là trung tâm của tứ diện, từ đó tạo thành SiC4 hoặc CSi4. Cấu trúc tứ diện. Liên kết cộng hóa trị trong SiC có tính ion cao và năng lượng liên kết silicon-cacbon rất cao, khoảng 4,47eV. Do năng lượng lỗi xếp chồng thấp, các tinh thể cacbua silic dễ dàng hình thành nhiều dạng đa dạng khác nhau trong quá trình tăng trưởng. Có hơn 200 polytype được biết đến, có thể được chia thành ba loại chính: hình khối, hình lục giác và lượng giác.
Hiện nay, các phương pháp tăng trưởng chính của tinh thể SiC bao gồm Phương pháp vận chuyển hơi vật lý (phương pháp PVT), lắng đọng hơi hóa học ở nhiệt độ cao (phương pháp HTCVD), Phương pháp pha lỏng, v.v. Trong số đó, phương pháp PVT trưởng thành hơn và phù hợp hơn với công nghiệp sản xuất hàng loạt.
Cái gọi là phương pháp PVT đề cập đến việc đặt các tinh thể hạt SiC lên trên nồi nấu kim loại và đặt bột SiC làm nguyên liệu thô ở đáy nồi nấu kim loại. Trong môi trường kín có nhiệt độ cao và áp suất thấp, bột SiC thăng hoa và di chuyển lên trên dưới tác động của gradient nhiệt độ và chênh lệch nồng độ. Một phương pháp vận chuyển nó đến vùng lân cận của tinh thể hạt và sau đó kết tinh lại nó sau khi đạt đến trạng thái siêu bão hòa. Phương pháp này có thể đạt được sự tăng trưởng có thể kiểm soát được về kích thước tinh thể SiC và các dạng tinh thể cụ thể.
Tuy nhiên, sử dụng phương pháp PVT để phát triển tinh thể SiC đòi hỏi phải luôn duy trì điều kiện phát triển thích hợp trong suốt quá trình phát triển lâu dài, nếu không sẽ dẫn đến rối loạn mạng tinh thể, ảnh hưởng đến chất lượng của tinh thể. Tuy nhiên, sự phát triển của tinh thể SiC được hoàn thành trong một không gian kín. Có ít phương pháp giám sát hiệu quả và có nhiều biến số nên khó kiểm soát quá trình.
Trong quá trình phát triển tinh thể SiC bằng phương pháp PVT, chế độ tăng trưởng dòng chảy (Step Flow Growth) được coi là cơ chế chính cho sự phát triển ổn định của dạng tinh thể đơn.
Các nguyên tử Si và nguyên tử C bay hơi sẽ ưu tiên liên kết với các nguyên tử bề mặt tinh thể tại điểm gấp khúc, nơi chúng sẽ tạo mầm và phát triển, khiến mỗi bước chuyển động song song về phía trước. Khi chiều rộng bước trên bề mặt tinh thể vượt xa đường đi tự do khuếch tán của nguyên tử, một số lượng lớn nguyên tử có thể kết tụ và chế độ tăng trưởng giống như đảo hai chiều được hình thành sẽ phá hủy chế độ tăng trưởng dòng chảy theo bước, dẫn đến mất 4H thông tin cấu trúc tinh thể, dẫn đến nhiều khuyết tật. Do đó, việc điều chỉnh các thông số quy trình phải đạt được sự kiểm soát cấu trúc bước bề mặt, từ đó ngăn chặn việc tạo ra các khuyết tật đa hình, đạt được mục đích thu được dạng tinh thể duy nhất và cuối cùng là chuẩn bị các tinh thể chất lượng cao.
Là phương pháp phát triển tinh thể SiC được phát triển sớm nhất, phương pháp vận chuyển hơi vật lý hiện là phương pháp phát triển chủ đạo nhất để phát triển tinh thể SiC. So với các phương pháp khác, phương pháp này có yêu cầu thấp hơn về thiết bị tăng trưởng, quy trình tăng trưởng đơn giản, khả năng kiểm soát mạnh mẽ, nghiên cứu phát triển tương đối kỹ lưỡng và đã đạt được ứng dụng công nghiệp. Ưu điểm của phương pháp HTCVD là có thể phát triển các tấm bán cách điện dẫn điện (n, p) và có độ tinh khiết cao, đồng thời có thể kiểm soát nồng độ pha tạp để nồng độ chất mang trong tấm bán dẫn có thể điều chỉnh trong khoảng 3 × 1013 ~ 5 × 1019 /cm3. Nhược điểm là ngưỡng kỹ thuật cao và thị phần thấp. Khi công nghệ tăng trưởng tinh thể SiC pha lỏng tiếp tục phát triển, nó sẽ cho thấy tiềm năng lớn trong việc thúc đẩy toàn bộ ngành công nghiệp SiC trong tương lai và có thể sẽ là một điểm đột phá mới trong sự phát triển của tinh thể SiC.
Thời gian đăng: 16-04-2024