A szilícium-karbid szerkezete és növekedési technológiája (Ⅰ)

Először is, a SiC kristály szerkezete és tulajdonságai.

A SiC egy bináris vegyület, amely Si elemből és C elemből 1:1 arányban, azaz 50% szilíciumból (Si) és 50% szénből (C) képződik, és alapvető szerkezeti egysége az SI-C tetraéder.

A szilícium-karbid tetraéder szerkezetének sematikus diagramja

 Például a Si-atomok nagy átmérőjűek, egy almával egyenértékűek, a C-atomok pedig kis átmérőjűek, egy narancsnak felelnek meg, és azonos számú narancs és alma halmozódik fel, hogy SiC-kristályt képezzenek.

A SiC egy bináris vegyület, amelyben a Si-Si kötés atomtávolsága 3,89 A, hogyan érthető ez a távolság?Jelenleg a piac legkiválóbb litográfiai gépének litográfiai pontossága 3nm, ami 30A távolság, a litográfia pontossága pedig 8-szorosa az atomtávolságnak.

A Si-Si kötés energiája 310 kJ/mol, így érthető, hogy a kötési energia az az erő, amely ezt a két atomot széthúzza, és minél nagyobb a kötési energia, annál nagyobb az az erő, amelyre szét kell húzni.

 Például a Si-atomok nagy átmérőjűek, egy almával egyenértékűek, a C-atomok pedig kis átmérőjűek, egy narancsnak felelnek meg, és azonos számú narancs és alma halmozódik fel, hogy SiC-kristályt képezzenek.

A SiC egy bináris vegyület, amelyben a Si-Si kötés atomtávolsága 3,89 A, hogyan érthető ez a távolság?Jelenleg a piac legkiválóbb litográfiai gépének litográfiai pontossága 3nm, ami 30A távolság, a litográfia pontossága pedig 8-szorosa az atomtávolságnak.

A Si-Si kötés energiája 310 kJ/mol, így érthető, hogy a kötési energia az az erő, amely ezt a két atomot széthúzza, és minél nagyobb a kötési energia, annál nagyobb az az erő, amelyre szét kell húzni.

A szilícium-karbid tetraéder szerkezetének sematikus diagramja

 Például a Si-atomok nagy átmérőjűek, egy almával egyenértékűek, a C-atomok pedig kis átmérőjűek, egy narancsnak felelnek meg, és azonos számú narancs és alma halmozódik fel, hogy SiC-kristályt képezzenek.

A SiC egy bináris vegyület, amelyben a Si-Si kötés atomtávolsága 3,89 A, hogyan érthető ez a távolság?Jelenleg a piac legkiválóbb litográfiai gépének litográfiai pontossága 3nm, ami 30A távolság, a litográfia pontossága pedig 8-szorosa az atomtávolságnak.

A Si-Si kötés energiája 310 kJ/mol, így érthető, hogy a kötési energia az az erő, amely ezt a két atomot széthúzza, és minél nagyobb a kötési energia, annál nagyobb az az erő, amelyre szét kell húzni.

 Például a Si-atomok nagy átmérőjűek, egy almával egyenértékűek, a C-atomok pedig kis átmérőjűek, egy narancsnak felelnek meg, és azonos számú narancs és alma halmozódik fel, hogy SiC-kristályt képezzenek.

A SiC egy bináris vegyület, amelyben a Si-Si kötés atomtávolsága 3,89 A, hogyan érthető ez a távolság?Jelenleg a piac legkiválóbb litográfiai gépének litográfiai pontossága 3nm, ami 30A távolság, a litográfia pontossága pedig 8-szorosa az atomtávolságnak.

A Si-Si kötés energiája 310 kJ/mol, így érthető, hogy a kötési energia az az erő, amely ezt a két atomot széthúzza, és minél nagyobb a kötési energia, annál nagyobb az az erő, amelyre szét kell húzni.

Tudjuk, hogy minden anyag atomokból áll, és a kristály szerkezete az atomok szabályos elrendezése, amit nagy hatótávolságú rendnek nevezünk, mint az alábbiakban.A legkisebb kristály egységet cellának nevezzük, ha a cella köbös szerkezet, akkor szorosan tömörített köbösnek, a cellát pedig hatszögletű szerkezetnek nevezzük, akkor szorosan tömörített hatszögletűnek.

Az elterjedt SiC kristálytípusok közé tartozik a 3C-SiC, 4H-SiC, 6H-SiC, 15R-SiC stb. A c tengely irányú halmozási sorrendjük az ábrán látható.

 

Közülük a 4H-SiC alapvető halmozási sorrendje az ABCB... ;A 6H-SiC alapvető halmozási sorrendje az ABCACB... ;A 15R-SiC alapvető halmozási sorrendje: ABCACBCABACABCB... .

 

Ezt tekinthetjük házépítési téglának, a háztéglák némelyikének három, másnak négy, másnak hat módja van.
Ezen elterjedt SiC kristálytípusok alapvető cellaparaméterei a táblázatban láthatók:

Mit jelentenek a, b, c és szögek?A SiC félvezető legkisebb egységcellájának szerkezetét a következőképpen írjuk le:

Ugyanazon cella esetén a kristályszerkezet is más lesz, ez olyan, mintha megvesszük a lottót, a nyerőszám 1, 2, 3, 1, 2, 3 három számot vettél, de ha a szám rendezve van eltérően a nyeremény összege eltérő, így ugyanannak a kristálynak a száma és sorrendje azonos kristálynak nevezhető.
Az alábbi ábrán a két tipikus halmozási mód látható, csak a felső atomok egymásra halmozási módja, a kristályszerkezet eltérő.

A SiC kristályszerkezete erősen összefügg a hőmérséklettel.Magas, 1900-2000 ℃-os hőmérséklet hatására a 3C-SiC lassan átalakul hatszögletű SiC-poliformmá, például 6H-SiC-vé, rossz szerkezeti stabilitása miatt.Éppen a SiC polimorfok kialakulásának valószínűsége és a hőmérséklet között fennálló erős korreláció, valamint magának a 3C-SiC instabilitása miatt a 3C-SiC növekedési sebessége nehezen javítható, az előállítása nehézkes.A 4H-SiC és 6H-SiC hatszögletű rendszere a legelterjedtebb és könnyebben elkészíthető, sajátosságai miatt széles körben tanulmányozzák.

 Az SI-C kötés kötési hossza a SiC kristályban mindössze 1,89 A, de a kötési energia akár 4,53 eV.Emiatt a kötési állapot és a kötést gátló állapot közötti energiaszint-rés nagyon nagy, és széles sávrés alakulhat ki, amely többszöröse a Si és GaAs-énak.A nagyobb sávszélesség azt jelenti, hogy a magas hőmérsékletű kristályszerkezet stabil.A hozzá tartozó teljesítményelektronika képes megvalósítani a magas hőmérsékleten történő stabil működés és az egyszerűsített hőelvezetés jellemzőit.

A Si-C kötés szoros kötése a rácsot nagy rezgésfrekvenciájúvá, azaz nagy energiájú fononná teszi, ami azt jelenti, hogy a SiC kristály nagy telített elektronmozgással és hővezető képességgel rendelkezik, a kapcsolódó teljesítményelektronikai eszközök pedig nagyobb kapcsolási sebesség és megbízhatóság, ami csökkenti a készülék túlmelegedési meghibásodásának kockázatát.Ezen túlmenően, a SiC nagyobb letörési térerőssége lehetővé teszi, hogy magasabb adalékkoncentrációt érjen el, és alacsonyabb legyen az ellenállása.

 Másodszor, a SiC kristályfejlődés története

 1905-ben Dr. Henri Moissan egy természetes SiC kristályt fedezett fel a kráterben, amelyről úgy találta, hogy gyémánthoz hasonlít, és elnevezte Mosan gyémántnak.

 Valójában már 1885-ben Acheson szilícium-karbidhoz jutott úgy, hogy kokszot szilícium-dioxiddal kevert össze, és elektromos kemencében hevítette.Abban az időben az emberek gyémántok keverékére tévesztették, és csiszoltnak nevezték.

 1892-ben Acheson javította a szintézis folyamatát: kvarchomokot, kokszot, kis mennyiségű faforgácsot és NaCl-t kevert össze, majd elektromos ívkemencében 2700 ℃-ra hevítette, és sikeresen kapott pikkelyes SiC kristályokat.A szilícium-karbid-kristályok szintézisének ezt a módszerét Acheson-módszerként ismerik, és még mindig az ipari SiC csiszolóanyagok előállításának fő módszere.A szintetikus nyersanyagok alacsony tisztasága és a durva szintézis eljárás miatt az Acheson-módszer több SiC-szennyeződést, gyenge kristályintegritást és kis kristályátmérőt eredményez, ami nehéz megfelelni a félvezetőipar követelményeinek a nagy méretű, nagy tisztaságú és magas minőségben. -minőségi kristályok, és nem használhatók elektronikai eszközök gyártására.

 A Lely of Philips Laboratory 1955-ben új módszert javasolt a SiC egykristályok termesztésére. Ebben a módszerben grafittégelyt használnak növesztőedényként, SiC porkristályt használnak nyersanyagként a SiC kristályok termesztéséhez, és porózus grafitot használnak az izoláláshoz. üreges terület a növekvő nyersanyag közepétől.A termesztés során a grafittégelyt 2500 ℃-ra melegítik Ar vagy H2 atmoszférában, és a perifériás SiC port szublimálják és Si és C gőzfázisú anyagokra bontják, és a SiC kristályt a gáz után a középső üreges tartományban növesztik. Az áramlást a porózus grafiton továbbítják.

Harmadszor, SiC kristálynövekedési technológia

A SiC egykristály növekedése sajátosságai miatt nehéz.Ez elsősorban annak tudható be, hogy légköri nyomáson nincs Si:C = 1:1 sztöchiometrikus arányú folyékony fázis, és nem termeszthető a félvezető jelenlegi fő növekedési folyamata által használt érettebb növekedési módszerekkel. ipar - cZ módszer, leeső tégely módszer és egyéb módszerek.Az elméleti számítások szerint csak 10E5 atm-nél nagyobb nyomás és 3200 ℃ feletti hőmérséklet esetén érhető el a Si:C = 1:1 oldat sztöchiometrikus aránya.A probléma leküzdése érdekében a tudósok lankadatlan erőfeszítéseket tettek, hogy különféle módszereket javasoljanak kiváló minőségű, nagy méretű és olcsó SiC kristályok előállítására.Jelenleg a fő módszerek a PVT módszer, a folyadékfázisú módszer és a magas hőmérsékletű gőz kémiai leválasztási módszer.