Структура и технология роста карбида кремния (Ⅰ)

Во-первых, структура и свойства кристалла SiC..

SiC представляет собой бинарное соединение, состоящее из элемента Si и элемента C в соотношении 1: 1, то есть 50% кремния (Si) и 50% углерода (C), а его основной структурной единицей является тетраэдр SI-C.

Принципиальная схема структуры тетраэдра карбида кремния.

 Например, атомы Si имеют большой диаметр, что соответствует яблоку, а атомы C имеют малый диаметр, что эквивалентно апельсину, и равное количество апельсинов и яблок сложены вместе, образуя кристалл SiC.

SiC — бинарное соединение, в котором расстояние между атомами связи Si-Si составляет 3,89 А, как понимать это расстояние? В настоящее время самая совершенная литографическая машина на рынке имеет точность литографии 3 нм, что соответствует расстоянию 30 А, а точность литографии в 8 раз превышает атомное расстояние.

Энергия связи Si-Si составляет 310 кДж/моль, поэтому вы можете понять, что энергия связи — это сила, которая раздвигает эти два атома, и чем больше энергия связи, тем большая сила вам нужна, чтобы разъединить.

 Например, атомы Si имеют большой диаметр, что соответствует яблоку, а атомы C имеют малый диаметр, что эквивалентно апельсину, и равное количество апельсинов и яблок сложены вместе, образуя кристалл SiC.

SiC — бинарное соединение, в котором расстояние между атомами связи Si-Si составляет 3,89 А, как понимать это расстояние? В настоящее время самая совершенная литографическая машина на рынке имеет точность литографии 3 нм, что соответствует расстоянию 30 А, а точность литографии в 8 раз превышает атомное расстояние.

Энергия связи Si-Si составляет 310 кДж/моль, поэтому вы можете понять, что энергия связи — это сила, которая раздвигает эти два атома, и чем больше энергия связи, тем большая сила вам нужна, чтобы разъединить.

Принципиальная схема структуры тетраэдра карбида кремния.

 Например, атомы Si имеют большой диаметр, что соответствует яблоку, а атомы C имеют малый диаметр, что эквивалентно апельсину, и равное количество апельсинов и яблок сложены вместе, образуя кристалл SiC.

SiC — бинарное соединение, в котором расстояние между атомами связи Si-Si составляет 3,89 А, как понимать это расстояние? В настоящее время самая совершенная литографическая машина на рынке имеет точность литографии 3 нм, что соответствует расстоянию 30 А, а точность литографии в 8 раз превышает атомное расстояние.

Энергия связи Si-Si составляет 310 кДж/моль, поэтому вы можете понять, что энергия связи — это сила, которая раздвигает эти два атома, и чем больше энергия связи, тем большая сила вам нужна, чтобы разъединить.

 Например, атомы Si имеют большой диаметр, что соответствует яблоку, а атомы C имеют малый диаметр, что эквивалентно апельсину, и равное количество апельсинов и яблок сложены вместе, образуя кристалл SiC.

SiC — бинарное соединение, в котором расстояние между атомами связи Si-Si составляет 3,89 А, как понимать это расстояние? В настоящее время самая совершенная литографическая машина на рынке имеет точность литографии 3 нм, что соответствует расстоянию 30 А, а точность литографии в 8 раз превышает атомное расстояние.

Энергия связи Si-Si составляет 310 кДж/моль, поэтому вы можете понять, что энергия связи — это сила, которая раздвигает эти два атома, и чем больше энергия связи, тем большая сила вам нужна, чтобы разъединить.

Мы знаем, что каждое вещество состоит из атомов, а структура кристалла представляет собой правильное расположение атомов, которое называется дальним порядком, как показано ниже. Наименьшая кристаллическая единица называется клеткой, если ячейка имеет кубическую структуру, ее называют плотноупакованной кубической, а ячейку гексагональной структуры — плотноупакованной гексагональной.

Распространенные типы кристаллов SiC включают 3C-SiC, 4H-SiC, 6H-SiC, 15R-SiC и т. д. Последовательность их укладки в направлении оси c показана на рисунке.

 

Среди них основная последовательность укладки 4H-SiC — ABCB…; Основная последовательность укладки 6H-SiC — ABCACB...; Базовая последовательность укладки 15R-SiC — ABCACBCABACABCB….

 

Это можно рассматривать как кирпич для строительства дома: некоторые кирпичи дома можно уложить тремя способами, некоторые - четырьмя способами, некоторые - шестью способами.
Основные параметры ячеек этих распространенных типов кристаллов SiC показаны в таблице:

Что означают a, b, c и углы? Структура наименьшей элементарной ячейки полупроводника SiC описывается следующим образом:

В случае одной и той же ячейки кристаллическая структура тоже будет разной, это как мы покупаем в лотерею, выигрышный номер 1, 2, 3, вы купили 1, 2, 3 три номера, но если число отсортировано по-другому сумма выигрыша разная, поэтому количество и порядок одного и того же кристалла можно назвать одним и тем же кристаллом.
На следующем рисунке показаны два типичных режима упаковки, разница только в режиме упаковки верхних атомов, кристаллическая структура другая.

Кристаллическая структура, образуемая SiC, сильно зависит от температуры. Под действием высокой температуры 1900–2000 ℃ 3C-SiC медленно превращается в гексагональную полиформу SiC, такую ​​как 6H-SiC, из-за ее плохой структурной стабильности. Именно из-за сильной корреляции между вероятностью образования полиморфов SiC и температурой, а также нестабильностью самого 3C-SiC скорость роста 3C-SiC трудно улучшить, а его получение затруднено. Гексагональная система 4H-SiC и 6H-SiC является наиболее распространенной, простой в приготовлении и широко изучается благодаря своим собственным характеристикам.

 Длина связи SI-C в кристалле SiC составляет всего 1,89 А, но энергия связи достигает 4,53 эВ. Следовательно, энергетическая щель между связывающим и разрыхляющим состояниями очень велика, и может образоваться широкая запрещенная зона, которая в несколько раз больше, чем у Si и GaAs. Более высокая ширина запрещенной зоны означает, что высокотемпературная кристаллическая структура стабильна. Соответствующая силовая электроника может реализовать характеристики стабильной работы при высоких температурах и упрощенную структуру рассеивания тепла.

Плотная связь связи Si-C приводит к тому, что решетка имеет высокую частоту колебаний, то есть фонон с высокой энергией, что означает, что кристалл SiC имеет высокую подвижность насыщенных электронов и теплопроводность, а соответствующие силовые электронные устройства имеют более высокая скорость переключения и надежность, что снижает риск выхода устройства из строя из-за перегрева. Кроме того, более высокая напряженность поля пробоя SiC позволяет ему достигать более высоких концентраций легирования и иметь более низкое сопротивление в открытом состоянии.

 Во-вторых, история развития кристаллов SiC.

 В 1905 году доктор Анри Муассан обнаружил в кратере природный кристалл SiC, который, как он обнаружил, напоминал алмаз, и назвал его алмазом Мосан.

 Фактически, еще в 1885 году Ачесон получил SiC, смешав кокс с кремнеземом и нагрев его в электрической печи. В то время люди приняли его за смесь алмазов и назвали наждаком.

 В 1892 году Ачесон усовершенствовал процесс синтеза: он смешал кварцевый песок, кокс, небольшое количество древесной щепы и NaCl, нагрел его в электродуговой печи до 2700℃ и успешно получил чешуйчатые кристаллы SiC. Этот метод синтеза кристаллов SiC известен как метод Ачесона и до сих пор является основным методом производства абразивов SiC в промышленности. Из-за низкой чистоты синтетического сырья и грубого процесса синтеза метод Ачесона дает больше примесей SiC, плохую целостность кристаллов и малый диаметр кристаллов, что трудно удовлетворить требованиям полупроводниковой промышленности к крупногабаритным, высокочистым и высоким кристаллам. -кристаллы высокого качества и не могут быть использованы для производства электронных устройств.

 В 1955 году Лели из лаборатории Philips предложил новый метод выращивания монокристаллов SiC. В этом методе графитовый тигель используется в качестве сосуда для выращивания, кристаллы порошка SiC используются в качестве сырья для выращивания кристаллов SiC, а пористый графит используется для изоляции полая область от центра растущего сырья. При выращивании графитовый тигель нагревается до 2500 ℃ в атмосфере Ar или H2, а периферийный порошок SiC сублимируется и разлагается на вещества паровой фазы Si и C, а кристалл SiC выращивается в средней полой области после газовой фазы. поток передается через пористый графит.

В-третьих, технология выращивания кристаллов SiC.

Выращивание монокристаллов SiC затруднено из-за его собственных особенностей. В основном это связано с тем, что не существует жидкой фазы со стехиометрическим соотношением Si: C = 1:1 при атмосферном давлении, и ее нельзя вырастить более зрелыми методами выращивания, используемыми в нынешнем основном процессе выращивания полупроводников. промышленность - метод CZ, метод падающего тигля и другие методы. Согласно теоретическому расчету, только при давлении выше 10E5атм и температуре выше 3200℃ можно получить стехиометрическое соотношение раствора Si:C = 1:1. Чтобы решить эту проблему, ученые приложили неустанные усилия, чтобы предложить различные методы получения кристаллов высокого качества, больших размеров и дешевых кристаллов SiC. В настоящее время основными методами являются метод PVT, метод жидкой фазы и метод высокотемпературного химического осаждения из паровой фазы.