По-перше, структура та властивості кристала SiC.
SiC — це бінарна сполука, утворена елементом Si та елементом C у співвідношенні 1:1, тобто 50% кремнію (Si) і 50% вуглецю (C), і його основною структурною одиницею є тетраедр SI-C.
Принципова схема структури тетраедра карбіду кремнію
Наприклад, атоми Si мають великий діаметр, еквівалентний яблуку, а атоми C мають малий діаметр, еквівалентний апельсину, і рівна кількість апельсинів і яблук зібрана разом, щоб утворити кристал SiC.
SiC — це бінарна сполука, в якій відстань між атомами зв’язку Si-Si становить 3,89 A, як зрозуміти цю відстань? Наразі найпрекрасніша літографічна машина на ринку має точність літографії 3 нм, що відповідає відстані 30 А, а точність літографії у 8 разів перевищує атомну відстань.
Енергія зв’язку Si-Si становить 310 кДж/моль, тож ви можете зрозуміти, що енергія зв’язку — це сила, яка роз’єднує ці два атоми, і чим більша енергія зв’язку, тим більша сила, яку вам потрібно роз’єднати.
Наприклад, атоми Si мають великий діаметр, еквівалентний яблуку, а атоми C мають малий діаметр, еквівалентний апельсину, і рівна кількість апельсинів і яблук зібрана разом, щоб утворити кристал SiC.
SiC — це бінарна сполука, в якій відстань між атомами зв’язку Si-Si становить 3,89 A, як зрозуміти цю відстань? Наразі найпрекрасніша літографічна машина на ринку має точність літографії 3 нм, що відповідає відстані 30 А, а точність літографії у 8 разів перевищує атомну відстань.
Енергія зв’язку Si-Si становить 310 кДж/моль, тож ви можете зрозуміти, що енергія зв’язку — це сила, яка роз’єднує ці два атоми, і чим більша енергія зв’язку, тим більша сила, яку вам потрібно роз’єднати.
Принципова схема структури тетраедра карбіду кремнію
Наприклад, атоми Si мають великий діаметр, еквівалентний яблуку, а атоми C мають малий діаметр, еквівалентний апельсину, і рівна кількість апельсинів і яблук зібрана разом, щоб утворити кристал SiC.
SiC — це бінарна сполука, в якій відстань між атомами зв’язку Si-Si становить 3,89 A, як зрозуміти цю відстань? Наразі найпрекрасніша літографічна машина на ринку має точність літографії 3 нм, що відповідає відстані 30 А, а точність літографії у 8 разів перевищує атомну відстань.
Енергія зв’язку Si-Si становить 310 кДж/моль, тож ви можете зрозуміти, що енергія зв’язку — це сила, яка роз’єднує ці два атоми, і чим більша енергія зв’язку, тим більша сила, яку вам потрібно роз’єднати.
Наприклад, атоми Si мають великий діаметр, еквівалентний яблуку, а атоми C мають малий діаметр, еквівалентний апельсину, і рівна кількість апельсинів і яблук зібрана разом, щоб утворити кристал SiC.
SiC — це бінарна сполука, в якій відстань між атомами зв’язку Si-Si становить 3,89 A, як зрозуміти цю відстань? Наразі найпрекрасніша літографічна машина на ринку має точність літографії 3 нм, що відповідає відстані 30 А, а точність літографії у 8 разів перевищує атомну відстань.
Енергія зв’язку Si-Si становить 310 кДж/моль, тож ви можете зрозуміти, що енергія зв’язку — це сила, яка роз’єднує ці два атоми, і чим більша енергія зв’язку, тим більша сила, яку вам потрібно роз’єднати.
Ми знаємо, що кожна речовина складається з атомів, а структура кристала — це регулярне розташування атомів, яке називається дальнім порядком, як показано нижче. Найменшу кристалічну одиницю називають коміркою, якщо комірка є кубічною структурою, вона називається щільно упакованою кубічною, а комірка є гексагональну структуру, її називають щільноупакованою гексагональною.
Поширені типи кристалів SiC включають 3C-SiC, 4H-SiC, 6H-SiC, 15R-SiC тощо. Послідовність їх укладання в напрямку осі c показано на малюнку.
Серед них основною послідовністю укладання 4H-SiC є ABCB... ; Основна послідовність укладання 6H-SiC є ABCACB... ; Основна послідовність укладання 15R-SiC — ABCACBCABACABCB... .
Це можна розглядати як цеглу для будівництва будинку, деякі цеглинки для будинку мають три способи розміщення, деякі мають чотири способи розміщення, деякі мають шість способів.
Основні параметри комірки цих поширених типів кристалів SiC наведені в таблиці:
Що означають a, b, c і кути? Структура найменшої елементарної комірки в напівпровіднику SiC описується наступним чином:
У випадку тієї самої комірки кристалічна структура також буде іншою, це схоже на те, що ми купуємо в лотерею, виграшний номер 1, 2, 3, ви купили 1, 2, 3 три числа, але якщо число відсортовано по-іншому, сума виграшу різна, тому кількість і порядок того самого кристала можна назвати тим самим кристалом.
На наступному малюнку показано два типові режими укладання, лише різниця в режимі укладання верхніх атомів, кристалічна структура відрізняється.
Кристалічна структура, утворена SiC, сильно залежить від температури. Під дією високої температури 1900~2000 ℃ 3C-SiC повільно перетворюється на гексагональну поліформу SiC, таку як 6H-SiC, через його низьку структурну стабільність. Саме через сильну кореляцію між імовірністю утворення поліморфів SiC і температурою, а також через нестабільність самого 3C-SiC, швидкість росту 3C-SiC важко покращити, а підготовка є важкою. Гексагональна система 4H-SiC і 6H-SiC є найпоширенішою та легшою для приготування, і широко досліджена через свої особливості.
Довжина зв’язку SI-C у кристалі SiC становить лише 1,89 А, але енергія зв’язку досягає 4,53 еВ. Таким чином, розрив енергетичних рівнів між станом зв’язку та станом антизв’язку є дуже великим, і може утворитися широка заборонена зона, яка в кілька разів перевищує Si та GaAs. Більша ширина забороненої зони означає, що високотемпературна кристалічна структура стабільна. Пов’язана силова електроніка може реалізувати характеристики стабільної роботи при високих температурах і спрощену структуру розсіювання тепла.
Тісний зв’язок Si-C зв’язку робить решітку з високою частотою вібрації, тобто високоенергетичним фононом, що означає, що кристал SiC має високу рухливість насичених електронів і теплопровідність, а відповідні силові електронні пристрої мають більш висока швидкість перемикання і надійність, що знижує ризик виходу пристрою з ладу від перегріву. Крім того, вища напруженість поля пробою SiC дозволяє йому досягти вищих концентрацій легування та мати нижчий опір увімкненню.
По-друге, історія розвитку кристалів SiC
У 1905 році доктор Анрі Муассан виявив у кратері природний кристал SiC, який, на його думку, нагадував алмаз, і назвав його алмазом Мосан.
Фактично, ще в 1885 році Ачесон отримав SiC шляхом змішування коксу з кремнеземом і нагрівання його в електричній печі. У той час люди прийняли його за суміш алмазів і назвали наждаком.
У 1892 році Ачесон удосконалив процес синтезу, він змішав кварцовий пісок, кокс, невелику кількість деревної стружки та NaCl і нагрів це в електродуговій печі до 2700 ℃, і успішно отримав лускаті кристали SiC. Цей метод синтезу кристалів SiC відомий як метод Ачесона і досі є основним методом виробництва абразивів SiC у промисловості. Через низьку чистоту синтетичної сировини та грубий процес синтезу метод Ачесона виробляє більше домішок SiC, погану цілісність кристалів і малий діаметр кристалів, що важко задовольнити вимоги напівпровідникової промисловості для великого розміру, високої чистоти та високого -якісні кристали, і не можуть бути використані для виробництва електронних пристроїв.
Лелі з лабораторії Philips запропонував новий метод вирощування монокристалів SiC у 1955 році. У цьому методі графітовий тигель використовується як посудина для вирощування, порошковий кристал SiC використовується як сировина для вирощування кристала SiC, а пористий графіт використовується для ізоляції порожниста область від центру вирощуваної сировини. Під час вирощування графітовий тигель нагрівається до 2500 ℃ в атмосфері Ar або H2, а периферійний порошок SiC сублімується та розкладається на речовини пароподібної фази Si та C, а кристал SiC вирощується в середній порожнистій області після газу. потік передається через пористий графіт.
По-третє, технологія вирощування кристалів SiC
Вирощування монокристалів SiC є складним через його особливості. Це головним чином пов’язано з тим, що немає рідкої фази зі стехіометричним співвідношенням Si:C = 1:1 при атмосферному тиску, і її неможливо виростити більш зрілими методами вирощування, які використовуються в поточному основному процесі вирощування напівпровідників. промисловість - метод cZ, метод падаючого тигля та інші методи. Згідно з теоретичним розрахунком, лише коли тиск перевищує 10E5atm і температура перевищує 3200 ℃, можна отримати стехіометричне співвідношення розчину Si:C = 1:1. Щоб подолати цю проблему, вчені доклали невпинних зусиль, щоб запропонувати різні методи отримання кристалів високої якості, великого розміру та дешевих кристалів SiC. В даний час основними методами є метод PVT, метод рідкої фази та метод хімічного осадження з високої температури.
Час публікації: 24 січня 2024 р