Struttura e tecnologia di crescita del carburo di silicio (Ⅰ)

Innanzitutto, la struttura e le proprietà del cristallo SiC.

SiC è un composto binario formato da elemento Si ed elemento C in rapporto 1:1, ovvero 50% silicio (Si) e 50% carbonio (C), e la sua unità strutturale di base è il tetraedro SI-C.

Diagramma schematico della struttura del tetraedro del carburo di silicio

 Ad esempio, gli atomi di Si hanno un diametro grande, equivalente a una mela, e gli atomi di C hanno un diametro piccolo, equivalente a un'arancia, e un numero uguale di arance e mele sono impilati insieme per formare un cristallo di SiC.

SiC è un composto binario, in cui la spaziatura degli atomi del legame Si-Si è 3,89 A, come comprendere questa spaziatura?Attualmente, la macchina per litografia più eccellente sul mercato ha una precisione di litografia di 3 nm, ovvero una distanza di 30 A, e la precisione di litografia è 8 volte quella della distanza atomica.

L'energia del legame Si-Si è 310 kJ/mol, quindi puoi capire che l'energia del legame è la forza che separa questi due atomi, e maggiore è l'energia del legame, maggiore è la forza necessaria per separare.

 Ad esempio, gli atomi di Si hanno un diametro grande, equivalente a una mela, e gli atomi di C hanno un diametro piccolo, equivalente a un'arancia, e un numero uguale di arance e mele sono impilati insieme per formare un cristallo di SiC.

SiC è un composto binario, in cui la spaziatura degli atomi del legame Si-Si è 3,89 A, come comprendere questa spaziatura?Attualmente, la macchina per litografia più eccellente sul mercato ha una precisione di litografia di 3 nm, ovvero una distanza di 30 A, e la precisione di litografia è 8 volte quella della distanza atomica.

L'energia del legame Si-Si è 310 kJ/mol, quindi puoi capire che l'energia del legame è la forza che separa questi due atomi, e maggiore è l'energia del legame, maggiore è la forza necessaria per separare.

Diagramma schematico della struttura del tetraedro del carburo di silicio

 Ad esempio, gli atomi di Si hanno un diametro grande, equivalente a una mela, e gli atomi di C hanno un diametro piccolo, equivalente a un'arancia, e un numero uguale di arance e mele sono impilati insieme per formare un cristallo di SiC.

SiC è un composto binario, in cui la spaziatura degli atomi del legame Si-Si è 3,89 A, come comprendere questa spaziatura?Attualmente, la macchina per litografia più eccellente sul mercato ha una precisione di litografia di 3 nm, ovvero una distanza di 30 A, e la precisione di litografia è 8 volte quella della distanza atomica.

L'energia del legame Si-Si è 310 kJ/mol, quindi puoi capire che l'energia del legame è la forza che separa questi due atomi, e maggiore è l'energia del legame, maggiore è la forza necessaria per separare.

 Ad esempio, gli atomi di Si hanno un diametro grande, equivalente a una mela, e gli atomi di C hanno un diametro piccolo, equivalente a un'arancia, e un numero uguale di arance e mele sono impilati insieme per formare un cristallo di SiC.

SiC è un composto binario, in cui la spaziatura degli atomi del legame Si-Si è 3,89 A, come comprendere questa spaziatura?Attualmente, la macchina per litografia più eccellente sul mercato ha una precisione di litografia di 3 nm, ovvero una distanza di 30 A, e la precisione di litografia è 8 volte quella della distanza atomica.

L'energia del legame Si-Si è 310 kJ/mol, quindi puoi capire che l'energia del legame è la forza che separa questi due atomi, e maggiore è l'energia del legame, maggiore è la forza necessaria per separare.

Sappiamo che ogni sostanza è costituita da atomi e che la struttura di un cristallo è una disposizione regolare di atomi, chiamata ordine a lungo raggio, come la seguente.L'unità cristallina più piccola è chiamata cellula, se la cella è una struttura cubica, è chiamata cubica compattata, e la cella è una struttura esagonale, è chiamata esagonale compattata.

I tipi comuni di cristalli SiC includono 3C-SiC, 4H-SiC, 6H-SiC, 15R-SiC, ecc. La loro sequenza di impilamento nella direzione dell'asse c è mostrata nella figura.

 

Tra questi, la sequenza di impilamento di base del 4H-SiC è ABCB...;La sequenza di impilamento di base del 6H-SiC è ABCACB...;La sequenza di impilamento di base del 15R-SiC è ABCACBCABACABCB... .

 

Questo può essere visto come un mattone per costruire una casa, alcuni mattoni della casa hanno tre modi per posizionarli, alcuni hanno quattro modi per posizionarli, alcuni hanno sei modi.
I parametri di base delle celle di questi comuni tipi di cristalli SiC sono mostrati nella tabella:

Cosa significano a, b, c e gli angoli?La struttura della cella unitaria più piccola in un semiconduttore SiC è descritta come segue:

Nel caso della stessa cella, anche la struttura cristallina sarà diversa, è come se comprassimo alla lotteria, il numero vincente è 1, 2, 3, hai comprato 1, 2, 3 tre numeri, ma se il numero è ordinato diversamente, l'importo della vincita è diverso, quindi il numero e l'ordine dello stesso cristallo possono essere definiti lo stesso cristallo.
La figura seguente mostra le due tipiche modalità di impilamento, solo la differenza nella modalità di impilamento degli atomi superiori, la struttura cristallina è diversa.

La struttura cristallina formata dal SiC è fortemente correlata alla temperatura.Sotto l'azione dell'alta temperatura di 1900~2000 ℃, 3C-SiC si trasformerà lentamente in una poliforma SiC esagonale come 6H-SiC a causa della sua scarsa stabilità strutturale.È proprio a causa della forte correlazione tra la probabilità di formazione di polimorfi SiC e la temperatura e l'instabilità del 3C-SiC stesso, il tasso di crescita del 3C-SiC è difficile da migliorare e la preparazione è difficile.Il sistema esagonale di 4H-SiC e 6H-SiC sono i più comuni e più facili da preparare, e sono ampiamente studiati per le loro caratteristiche.

 La lunghezza del legame SI-C nel cristallo SiC è solo 1,89 A, ma l'energia di legame arriva fino a 4,53 eV.Pertanto, il divario di livello energetico tra lo stato di legame e lo stato di anti-legame è molto ampio e si può formare un ampio divario di banda, che è molte volte quello di Si e GaAs.La maggiore larghezza del gap di banda significa che la struttura cristallina ad alta temperatura è stabile.L'elettronica di potenza associata può realizzare le caratteristiche di funzionamento stabile ad alte temperature e una struttura semplificata di dissipazione del calore.

Lo stretto legame del legame Si-C fa sì che il reticolo abbia un'elevata frequenza di vibrazione, ovvero un fonone ad alta energia, il che significa che il cristallo SiC ha un'elevata mobilità degli elettroni saturi e conduttività termica, e i relativi dispositivi elettronici di potenza hanno un maggiore velocità di commutazione e affidabilità, che riduce il rischio di guasto da surriscaldamento del dispositivo.Inoltre, la maggiore intensità del campo di decomposizione del SiC gli consente di raggiungere concentrazioni di drogaggio più elevate e di avere una resistenza in conduzione inferiore.

 In secondo luogo, la storia dello sviluppo del cristallo SiC

 Nel 1905, il dottor Henri Moissan scoprì un cristallo SiC naturale nel cratere, che scoprì somigliava a un diamante e lo chiamò diamante Mosan.

 Infatti, già nel 1885, Acheson ottenne il SiC mescolando il coke con la silice e riscaldandolo in un forno elettrico.A quel tempo la gente lo scambiò per una miscela di diamanti e lo chiamò smeriglio.

 Nel 1892, Acheson migliorò il processo di sintesi, mescolò sabbia di quarzo, coke, una piccola quantità di trucioli di legno e NaCl e lo riscaldò in un forno elettrico ad arco a 2700 ℃ e ottenne con successo cristalli di SiC scagliosi.Questo metodo di sintesi dei cristalli di SiC è noto come metodo Acheson ed è ancora il metodo principale per produrre abrasivi SiC nell'industria.A causa della bassa purezza delle materie prime sintetiche e del processo di sintesi approssimativo, il metodo Acheson produce più impurità SiC, scarsa integrità dei cristalli e piccolo diametro dei cristalli, che è difficile soddisfare i requisiti dell'industria dei semiconduttori per grandi dimensioni, elevata purezza e alta cristalli di alta qualità e non possono essere utilizzati per fabbricare dispositivi elettronici.

 Lely del Philips Laboratory ha proposto un nuovo metodo per la coltivazione di cristalli singoli di SiC nel 1955. In questo metodo, il crogiolo di grafite viene utilizzato come recipiente di crescita, il cristallo di polvere di SiC viene utilizzato come materia prima per la crescita del cristallo di SiC e la grafite porosa viene utilizzata per isolare un'area cava dal centro della materia prima in crescita.Durante la crescita, il crogiolo di grafite viene riscaldato a 2500 ℃ sotto l'atmosfera di Ar o H2, e la polvere periferica di SiC viene sublimata e decomposta in sostanze in fase vapore di Si e C, e il cristallo di SiC viene coltivato nella regione cava centrale dopo il gas il flusso viene trasmesso attraverso la grafite porosa.

In terzo luogo, la tecnologia di crescita dei cristalli SiC

La crescita del singolo cristallo di SiC è difficile a causa delle sue caratteristiche.Ciò è dovuto principalmente al fatto che non esiste una fase liquida con un rapporto stechiometrico Si: C = 1:1 a pressione atmosferica e non può essere coltivata con i metodi di crescita più maturi utilizzati dall'attuale processo di crescita tradizionale del semiconduttore industria: metodo CZ, metodo del crogiolo cadente e altri metodi.Secondo il calcolo teorico, solo quando la pressione è maggiore di 10E5atm e la temperatura è superiore a 3200℃, è possibile ottenere il rapporto stechiometrico della soluzione Si: C = 1:1.Per superare questo problema, gli scienziati hanno compiuto sforzi incessanti per proporre vari metodi per ottenere cristalli SiC di alta qualità, di grandi dimensioni ed economici.Attualmente, i metodi principali sono il metodo PVT, il metodo in fase liquida e il metodo di deposizione chimica da vapore ad alta temperatura.