Structura și tehnologia de creștere a carburii de siliciu (Ⅰ)

În primul rând, structura și proprietățile cristalului de SiC.

SiC este un compus binar format din element Si și element C în raport 1:1, adică 50% siliciu (Si) și 50% carbon (C), iar unitatea sa structurală de bază este tetraedrul SI-C.

Schema schematică a structurii tetraedrului din carbură de siliciu

 De exemplu, atomii de Si au un diametru mare, echivalent cu un măr, iar atomii de C au un diametru mic, echivalent cu o portocală, iar un număr egal de portocale și mere sunt îngrămădite împreună pentru a forma un cristal de SiC.

SiC este un compus binar, în care distanța dintre atomii legăturii Si-Si este de 3,89 A, cum să înțelegem această distanță?În prezent, cea mai excelentă mașină de litografie de pe piață are o precizie litografică de 3 nm, care este o distanță de 30 A, iar precizia litografiei este de 8 ori mai mare decât distanța atomică.

Energia legăturii Si-Si este de 310 kJ/mol, deci puteți înțelege că energia de legătură este forța care trage acești doi atomi în afară și, cu cât energia legăturii este mai mare, cu atât este mai mare forța pe care trebuie să o despărțiți.

 De exemplu, atomii de Si au un diametru mare, echivalent cu un măr, iar atomii de C au un diametru mic, echivalent cu o portocală, iar un număr egal de portocale și mere sunt îngrămădite împreună pentru a forma un cristal de SiC.

SiC este un compus binar, în care distanța dintre atomii legăturii Si-Si este de 3,89 A, cum să înțelegem această distanță?În prezent, cea mai excelentă mașină de litografie de pe piață are o precizie litografică de 3 nm, care este o distanță de 30 A, iar precizia litografiei este de 8 ori mai mare decât distanța atomică.

Energia legăturii Si-Si este de 310 kJ/mol, deci puteți înțelege că energia de legătură este forța care trage acești doi atomi în afară și, cu cât energia legăturii este mai mare, cu atât este mai mare forța pe care trebuie să o despărțiți.

Schema schematică a structurii tetraedrului din carbură de siliciu

 De exemplu, atomii de Si au un diametru mare, echivalent cu un măr, iar atomii de C au un diametru mic, echivalent cu o portocală, iar un număr egal de portocale și mere sunt îngrămădite împreună pentru a forma un cristal de SiC.

SiC este un compus binar, în care distanța dintre atomii legăturii Si-Si este de 3,89 A, cum să înțelegem această distanță?În prezent, cea mai excelentă mașină de litografie de pe piață are o precizie litografică de 3 nm, care este o distanță de 30 A, iar precizia litografiei este de 8 ori mai mare decât distanța atomică.

Energia legăturii Si-Si este de 310 kJ/mol, deci puteți înțelege că energia de legătură este forța care trage acești doi atomi în afară și, cu cât energia legăturii este mai mare, cu atât este mai mare forța pe care trebuie să o despărțiți.

 De exemplu, atomii de Si au un diametru mare, echivalent cu un măr, iar atomii de C au un diametru mic, echivalent cu o portocală, iar un număr egal de portocale și mere sunt îngrămădite împreună pentru a forma un cristal de SiC.

SiC este un compus binar, în care distanța dintre atomii legăturii Si-Si este de 3,89 A, cum să înțelegem această distanță?În prezent, cea mai excelentă mașină de litografie de pe piață are o precizie litografică de 3 nm, care este o distanță de 30 A, iar precizia litografiei este de 8 ori mai mare decât distanța atomică.

Energia legăturii Si-Si este de 310 kJ/mol, deci puteți înțelege că energia de legătură este forța care trage acești doi atomi în afară și, cu cât energia legăturii este mai mare, cu atât este mai mare forța pe care trebuie să o despărțiți.

Știm că fiecare substanță este alcătuită din atomi, iar structura unui cristal este un aranjament regulat de atomi, care se numește ordine pe distanță lungă, ca următorul.Cea mai mică unitate de cristal se numește o celulă, dacă celula este o structură cubică, se numește un cubic compact, iar celula este o structură hexagonală, se numește un hexagonal strâns.

Tipurile comune de cristale SiC includ 3C-SiC, 4H-SiC, 6H-SiC, 15R-SiC etc. Secvența lor de stivuire în direcția axei c este prezentată în figură.

 

Printre acestea, secvența de bază de stivuire a 4H-SiC este ABCB...;Secvența de bază de stivuire a 6H-SiC este ABCACB... ;Secvența de bază de stivuire a 15R-SiC este ABCACBCABACABCB... .

 

Aceasta poate fi văzută ca o cărămidă pentru construirea unei case, unele dintre cărămizile casei au trei moduri de a le plasa, altele au patru moduri de a le plasa, altele au șase moduri.
Parametrii de bază ale celulei acestor tipuri comune de cristale SiC sunt prezentați în tabel:

Ce înseamnă a, b, c și unghiurile?Structura celei mai mici celule dintr-un semiconductor SiC este descrisă după cum urmează:

În cazul aceleiași celule, structura de cristal va fi și ea diferită, așa cum cumpărăm la loterie, numărul câștigător este 1, 2, 3, ați cumpărat 1, 2, 3 trei numere, dar dacă numărul este sortat diferit, suma câștigată este diferită, astfel încât numărul și ordinea aceluiași cristal pot fi numite același cristal.
Următoarea figură arată cele două moduri tipice de stivuire, doar diferența în modul de stivuire a atomilor superiori, structura cristalină este diferită.

Structura cristalină formată de SiC este strâns legată de temperatură.Sub acțiunea temperaturii ridicate de 1900 ~ 2000 ℃, 3C-SiC se va transforma încet în poliformă hexagonală SiC, cum ar fi 6H-SiC, din cauza stabilității sale structurale slabe.Tocmai din cauza corelației puternice dintre probabilitatea de formare a polimorfilor SiC și temperatură și instabilitatea 3C-SiC în sine, rata de creștere a 3C-SiC este dificil de îmbunătățit, iar prepararea este dificilă.Sistemul hexagonal de 4H-SiC și 6H-SiC sunt cele mai comune și mai ușor de preparat și sunt studiate pe scară largă datorită propriilor caracteristici.

 Lungimea legăturii legăturii SI-C în cristalul de SiC este de numai 1,89 A, dar energia de legare este de până la 4,53 eV.Prin urmare, decalajul de nivel de energie dintre starea de legare și starea de anti-legare este foarte mare și se poate forma un interval de bandă largă, care este de câteva ori mai mare decât cel al Si și al GaAs.Lățimea mai mare a intervalului de bandă înseamnă că structura cristalină la temperatură înaltă este stabilă.Electronica de putere asociată poate realiza caracteristicile de funcționare stabilă la temperaturi ridicate și structura simplificată de disipare a căldurii.

Legarea strânsă a legăturii Si-C face ca rețeaua să aibă o frecvență mare de vibrație, adică un fonon de înaltă energie, ceea ce înseamnă că cristalul SiC are o mobilitate ridicată a electronilor saturati și o conductivitate termică, iar dispozitivele electronice de putere aferente au o viteză mai mare de comutare și fiabilitate, ceea ce reduce riscul de defecțiune a dispozitivului la supratemperatura.În plus, intensitatea mai mare a câmpului de defalcare a SiC îi permite să atingă concentrații mai mari de dopaj și să aibă o rezistență mai mică.

 În al doilea rând, istoria dezvoltării cristalelor de SiC

 În 1905, dr. Henri Moissan a descoperit în crater un cristal natural de SiC, pe care l-a descoperit că seamănă cu un diamant și l-a numit diamantul Mosan.

 De fapt, încă din 1885, Acheson a obținut SiC amestecând cocs cu silice și încălzindu-l într-un cuptor electric.La acea vreme, oamenii îl confundau cu un amestec de diamante și îl numeau șmirghel.

 În 1892, Acheson a îmbunătățit procesul de sinteză, a amestecat nisip de cuarț, cocs, o cantitate mică de așchii de lemn și NaCl și l-a încălzit într-un cuptor cu arc electric la 2700 ℃ și a obținut cu succes cristale solzoase de SiC.Această metodă de sinteză a cristalelor de SiC este cunoscută ca metoda Acheson și este încă metoda principală de producere a abrazivelor SiC în industrie.Datorită purității scăzute a materiilor prime sintetice și procesului de sinteză brută, metoda Acheson produce mai multe impurități SiC, integritate slabă a cristalului și diametru mic al cristalului, ceea ce este dificil de îndeplinit cerințele industriei semiconductoarelor pentru dimensiuni mari, puritate ridicată și înaltă. -cristale de calitate și nu pot fi utilizate pentru fabricarea dispozitivelor electronice.

 Lely de la Laboratorul Philips a propus o nouă metodă de creștere a cristalelor simple de SiC în 1955. În această metodă, creuzetul de grafit este folosit ca vas de creștere, cristalul de pulbere de SiC este folosit ca materie primă pentru creșterea cristalului de SiC și grafitul poros este utilizat pentru izolarea. o zonă goală din centrul materiei prime în creștere.Când crește, creuzetul de grafit este încălzit la 2500 ℃ sub atmosfera de Ar sau H2, iar pulberea periferică de SiC este sublimată și descompusă în substanțe în fază de vapori Si și C, iar cristalul de SiC este crescut în regiunea goală din mijloc după gaz. curgerea este transmisă prin grafitul poros.

În al treilea rând, tehnologia de creștere a cristalelor SiC

Creșterea monocristalului de SiC este dificilă datorită propriilor sale caracteristici.Acest lucru se datorează în principal faptului că nu există o fază lichidă cu un raport stoichiometric de Si: C = 1:1 la presiunea atmosferică și nu poate fi crescută prin metodele de creștere mai mature utilizate de procesul de creștere curent al semiconductorului. industrie - metoda cZ, metoda creuzetului în cădere și alte metode.Conform calculului teoretic, numai atunci când presiunea este mai mare de 10E5atm și temperatura este mai mare de 3200℃, se poate obține raportul stoichiometric al soluției Si: C = 1:1.Pentru a depăși această problemă, oamenii de știință au depus eforturi neîncetate pentru a propune diverse metode de obținere a cristalelor de înaltă calitate, de dimensiuni mari și ieftine de SiC.În prezent, principalele metode sunt metoda PVT, metoda fază lichidă și metoda de depunere chimică în vapori la temperatură înaltă.