碳化硅（SiC）具有多种多型体（例如3C、4H、6H），每种多型体都具有对电力电子学至关重要的独特电子特性，如带隙、载流子迁移率和击穿电压[1]。实现稳定的单多型体生长仍然是一个持续存在的挑战，尤其是在用于高通量生产的大直径（8英寸或更大）晶体中。在高温（2000–2400°C）下的物理气相传输（PVT）生长中，通常选择4H-SiC因其优越的性能，但由于其相似的热力学稳定性，6H夹杂物也经常出现[2]。相比之下，高温溶液生长（HTSG）通常在较低的温度（1600–2000°C）下进行，在低过饱和度条件下更倾向于形成六方多型体如4H或6H，这种生长主要由螺旋生长主导。然而，在某些条件下也报道了立方3C-SiC的成核，这归因于局部二维（2D）成核事件，即使在螺旋生长占主导的生长过程中也是如此[3]。传统的抑制不需要的多型体的策略包括使用偏轴衬底来促进台阶流生长并减少宏观台阶的形成[4]，优化溶液流动以减少台阶聚集[5]，以及使用氮或铝等元素进行掺杂以改变表面和界面能量，从而稳定所需的多型体[6]、[7]。然而，关于多型体成核的详细分析模型，特别是在宏观台阶处的模型仍然很少。正如[8]中所全面回顾的，大多数研究，包括La Via等人[2]和Markov与Kaischew[9]关于2D成核理论的研究，Arzig等人[10]以及Latu-Romain等人[11]的研究，都依赖于强调台阶驱动过程的经验性或简化的二维（2D）成核框架。
最近的实验和理论工作加强了台阶驱动的多型体形成观点。Arzig等人[10]表明，宏观台阶暴露出大的台阶面，由于这些宽表面上的局部过饱和度升高，促进了外来多型体的二维（2D）成核。同样，Latu-Romain等人[11]观察到，在高温下立方SiC的成核是从宽阔的台阶面开始的，这与在高驱动力下的台阶介导的2D过程一致，尽管高分辨率显微镜还揭示了与相邻台阶边缘的强烈耦合。相反，一些实验研究即使在非常低的过饱和度或接近平衡的条件下也报告了多型体夹杂物，而在这些条件下台阶驱动的成核在动力学上是不太可能的。Schuh等人[12]在过饱和度S ≤ 0.06的条件下通过气相传输生长的3C-SiC中观察到了多型体夹杂物，这表明可能存在一种低势垒路径——除了台阶2D成核之外。同样，Latu-Romain等人（2006年）和Seki等人[3]表明，在高温溶液生长过程中，6H和3C多型体都可以在适度的过冷度（ΔT ≈ 5–10 K，对应于低过饱和度）下出现。在这种条件下，6H-SiC主要通过螺旋位错扩展，而3C-SiC则通过台阶介导的2D过程和侧向生长逐渐取代6H凸起。多型体成核的位置也非常关键，正如Harada等人[13]所讨论的。这些发现共同表明，即使在低或中等过饱和度下，台阶和台阶壁也为局部重排和多层胚胎的形成提供了能量上有利的位点。这种台阶壁辅助的机制为在弱驱动力下多型体夹杂物的持续存在提供了物理上一致的解释，并激发了本文提出的多层台阶壁模型。
相比之下，台阶壁或台阶角成核提供了一种低势垒机制，特别是在低过饱和度和过冷度下。受到硅中多层孪晶现象的启发[14]，其中堆垛缺陷使得类似于SiC多型体转变的低势垒多层生长成为可能，我们提出SiC中的宏观台阶提供了一个稳定的三重结线，即台阶壁、台阶面和成核的多层胚胎的交点，用于多层堆叠。在台阶壁上，原子的直接结合导致局部过饱和度降低[10]，而有利的壁亲和力降低了成核势垒，使得在外来多型体形成时的整体过饱和度显著降低，这一点在之前的研究中已有报道。通过将我们的模型与经典成核理论（Markov和Kaischew[9]）联系起来，其中能量势垒（Δgeff）明确地与过饱和度和过冷度相关联，我们建立了壁亲和力（Δγe）、驱动力和成核势垒之间的稳健联系。我们的方法通过解释在低驱动力下的夹杂物形成，填补了实验和理论之间的空白。重要的是，正如在硅的三重结面孪晶中看到的[14]、[15]、[16]，截断的核从减少的边缘能量中受益。在这里，类似的情况也出现了，即在台阶壁/台阶角处的截断多层胚胎同样降低了成核势垒。
现有的多型体成核模型通常强调堆垛缺陷（SFs）作为多型体形成的前体。例如，2D成核模型描述了4H-SiC中通过基底面上的部分位错形成SFs，导致多型体从4H转变为6H[17]。位错诱导的成核通过不均匀的螺旋位错和缺陷复制解释了15R-SiC中的6H夹杂物[13]、[18]。台阶控制的外延模型强调了偏轴生长如何通过促进台阶流来抑制3C夹杂物，而轴向条件则有利于SF驱动的成核[19]、[20]。早期关于台阶控制外延的工作确立了表面动力学在多型体选择中的作用[8]。这些模型强调了SFs在多型体变化中的作用，类似于硅中的孪晶现象，但缺乏在台阶角处多层成核的分析框架。与传统的2D台阶成核不同——在PVT生长中表现出相对较高的能量势垒（S ≈ 0.1–1%，对应的临界半径（r*）为几十纳米）——与高温溶液生长（S ≈ 1–10%，r*为几纳米到几十纳米）[3]——我们的模型利用宏观台阶来促进多层成核，通过调整壁亲和力来降低势垒，并实现用于电力电子学中的无缺陷SiC晶体的工程化多型体控制。
为了具体说明这一过程，我们首先展示了一个示意图（图1），展示了在台阶壁/台阶角处形成的多层成核胚胎。该胚胎由N层堆叠的Si–C双层组成——每层由一个硅原子层和一个碳原子层沿[0001]方向组成——代表新堆叠序列的初始段。每层被近似为一个厚度为h（双层高度）的圆形盘，该盘被一个相对于台阶倾斜角度为θ的壁截断。从顶部看，胚胎呈现为一个具有自由弧角α的圆形段，它在壁、台阶和蒸汽（或溶液）之间共享一个共同的三重结线。总自由能包括：（i）与胚胎体积成比例的体积驱动项，（ii）壁亲和力校正Δγe = γwall/embryo – γwall/fluid（负值表示胚胎-壁亲和力更强），作用在壁接触区域上，以及沿圆盘边缘的台阶能量，以及（iii）基底失配惩罚σpoly（J m−2），代表在基底面上形成非种子（外来）多型体所涉及的额外基底平面自由能，类似于堆叠序列失配惩罚。这种惩罚只在多层胚胎的基底层发生一次。下一节将发展几何结构、自由能以及成核自由能势垒最大化的临界尺寸r*，附录图中的体积尺寸为V*。通过针对2D基准进行校准，并比较类似HTSG（强润湿）和PVT（弱润湿）的情景，我们阐明了生长参数（例如过饱和度、壁亲和力）与多型体形成之间的关系，通过利用宏观台阶进行控制工程来补充抑制策略。
