Estrutura e tecnologia de crescimento de carboneto de silício (Ⅰ)

Primeiro, a estrutura e propriedades do cristal SiC.

SiC é um composto binário formado pelo elemento Si e pelo elemento C na proporção de 1:1, ou seja, 50% de silício (Si) e 50% de carbono (C), e sua unidade estrutural básica é o tetraedro SI-C.

Diagrama esquemático da estrutura do tetraedro de carboneto de silício

 Por exemplo, os átomos de Si têm diâmetro grande, equivalente a uma maçã, e os átomos de C têm diâmetro pequeno, equivalente a uma laranja, e um número igual de laranjas e maçãs são empilhados para formar um cristal de SiC.

SiC é um composto binário, em que o espaçamento dos átomos da ligação Si-Si é de 3,89 A, como entender esse espaçamento? Atualmente, a máquina de litografia mais excelente do mercado tem uma precisão de litografia de 3 nm, que é uma distância de 30A, e a precisão da litografia é 8 vezes maior que a distância atômica.

A energia da ligação Si-Si é 310 kJ/mol, então você pode entender que a energia da ligação é a força que separa esses dois átomos, e quanto maior a energia da ligação, maior a força necessária para separar.

 Por exemplo, os átomos de Si têm diâmetro grande, equivalente a uma maçã, e os átomos de C têm diâmetro pequeno, equivalente a uma laranja, e um número igual de laranjas e maçãs são empilhados para formar um cristal de SiC.

SiC é um composto binário, em que o espaçamento dos átomos da ligação Si-Si é de 3,89 A, como entender esse espaçamento? Atualmente, a máquina de litografia mais excelente do mercado tem uma precisão de litografia de 3 nm, que é uma distância de 30A, e a precisão da litografia é 8 vezes maior que a distância atômica.

A energia da ligação Si-Si é 310 kJ/mol, então você pode entender que a energia da ligação é a força que separa esses dois átomos, e quanto maior a energia da ligação, maior a força necessária para separar.

Diagrama esquemático da estrutura do tetraedro de carboneto de silício

 Por exemplo, os átomos de Si têm diâmetro grande, equivalente a uma maçã, e os átomos de C têm diâmetro pequeno, equivalente a uma laranja, e um número igual de laranjas e maçãs são empilhados para formar um cristal de SiC.

SiC é um composto binário, em que o espaçamento dos átomos da ligação Si-Si é de 3,89 A, como entender esse espaçamento? Atualmente, a máquina de litografia mais excelente do mercado tem uma precisão de litografia de 3 nm, que é uma distância de 30A, e a precisão da litografia é 8 vezes maior que a distância atômica.

A energia da ligação Si-Si é 310 kJ/mol, então você pode entender que a energia da ligação é a força que separa esses dois átomos, e quanto maior a energia da ligação, maior a força necessária para separar.

 Por exemplo, os átomos de Si têm diâmetro grande, equivalente a uma maçã, e os átomos de C têm diâmetro pequeno, equivalente a uma laranja, e um número igual de laranjas e maçãs são empilhados para formar um cristal de SiC.

SiC é um composto binário, em que o espaçamento dos átomos da ligação Si-Si é de 3,89 A, como entender esse espaçamento? Atualmente, a máquina de litografia mais excelente do mercado tem uma precisão de litografia de 3 nm, que é uma distância de 30A, e a precisão da litografia é 8 vezes maior que a distância atômica.

A energia da ligação Si-Si é 310 kJ/mol, então você pode entender que a energia da ligação é a força que separa esses dois átomos, e quanto maior a energia da ligação, maior a força necessária para separar.

Sabemos que toda substância é composta de átomos, e a estrutura de um cristal é um arranjo regular de átomos, que é chamado de ordem de longo alcance, como a seguir. A menor unidade cristalina é chamada de célula; se a célula for uma estrutura cúbica, é chamada de cúbica compacta, e a célula é uma estrutura hexagonal, é chamada de hexagonal compacta.

Os tipos comuns de cristais de SiC incluem 3C-SiC, 4H-SiC, 6H-SiC, 15R-SiC, etc. Sua sequência de empilhamento na direção do eixo c é mostrada na figura.

 

Entre eles, a sequência básica de empilhamento do 4H-SiC é ABCB...; A sequência básica de empilhamento de 6H-SiC é ABCACB...; A sequência básica de empilhamento do 15R-SiC é ABCACBCABACABCB... .

 

Isto pode ser visto como um tijolo para construir uma casa, alguns tijolos da casa têm três maneiras de colocá-los, alguns têm quatro maneiras de colocá-los, alguns têm seis maneiras.
Os parâmetros básicos das células desses tipos comuns de cristais de SiC são mostrados na tabela:

O que significam a, b, c e ângulos? A estrutura da menor célula unitária em um semicondutor SiC é descrita a seguir:

No caso da mesma célula a estrutura cristalina também será diferente, é como se a gente comprasse na loteria, o número ganhador é 1, 2, 3, você comprou 1, 2, 3 três números, mas se o número for ordenado diferentemente, o valor do prêmio é diferente, então o número e a ordem do mesmo cristal podem ser chamados de mesmo cristal.
A figura a seguir mostra os dois modos de empilhamento típicos, apenas a diferença no modo de empilhamento dos átomos superiores, a estrutura cristalina é diferente.

A estrutura cristalina formada pelo SiC está fortemente relacionada com a temperatura. Sob a ação de alta temperatura de 1900 ~ 2000 ℃, o 3C-SiC se transformará lentamente em poliforma hexagonal de SiC, como o 6H-SiC, devido à sua fraca estabilidade estrutural. É precisamente por causa da forte correlação entre a probabilidade de formação de polimorfos de SiC e a temperatura, e a instabilidade do próprio 3C-SiC, que a taxa de crescimento do 3C-SiC é difícil de melhorar e a preparação é difícil. Os sistemas hexagonais de 4H-SiC e 6H-SiC são os mais comuns e mais fáceis de preparar, sendo amplamente estudados devido às suas características próprias.

 O comprimento da ligação SI-C no cristal SiC é de apenas 1,89A, mas a energia de ligação é tão alta quanto 4,53eV. Portanto, a lacuna de nível de energia entre o estado de ligação e o estado anti-ligação é muito grande, e uma ampla lacuna de banda pode ser formada, que é várias vezes maior que a de Si e GaAs. A largura de banda maior significa que a estrutura cristalina de alta temperatura é estável. A eletrônica de potência associada pode realizar as características de operação estável em altas temperaturas e estrutura simplificada de dissipação de calor.

A forte ligação da ligação Si-C faz com que a rede tenha uma alta frequência de vibração, ou seja, um fônon de alta energia, o que significa que o cristal SiC tem alta mobilidade eletrônica saturada e condutividade térmica, e os dispositivos eletrônicos de potência relacionados têm um maior velocidade de comutação e confiabilidade, o que reduz o risco de falha por superaquecimento do dispositivo. Além disso, a maior intensidade do campo de ruptura do SiC permite atingir concentrações de dopagem mais altas e ter menor resistência.

 Em segundo lugar, a história do desenvolvimento do cristal SiC

 Em 1905, o Dr. Henri Moissan descobriu um cristal natural de SiC na cratera, que ele descobriu que se assemelhava a um diamante e o chamou de diamante Mosan.

 Na verdade, já em 1885, Acheson obteve SiC misturando coque com sílica e aquecendo-o num forno eléctrico. Na época, as pessoas confundiam-no com uma mistura de diamantes e chamavam-lhe esmeril.

 Em 1892, Acheson melhorou o processo de síntese, misturou areia de quartzo, coque, uma pequena quantidade de aparas de madeira e NaCl e aqueceu-os em um forno elétrico a arco a 2700 ℃ e obteve com sucesso cristais escamosos de SiC. Este método de síntese de cristais de SiC é conhecido como método Acheson e ainda é o método principal de produção de abrasivos de SiC na indústria. Devido à baixa pureza das matérias-primas sintéticas e ao processo de síntese grosseira, o método Acheson produz mais impurezas de SiC, baixa integridade do cristal e pequeno diâmetro do cristal, o que é difícil de atender aos requisitos da indústria de semicondutores para grandes tamanhos, alta pureza e alta -cristais de qualidade e não podem ser usados ​​para fabricar dispositivos eletrônicos.

 Lely, do Laboratório Philips, propôs um novo método para o cultivo de cristais únicos de SiC em 1955. Neste método, o cadinho de grafite é usado como recipiente de crescimento, o cristal em pó de SiC é usado como matéria-prima para o cultivo de cristal de SiC e a grafite porosa é usada para isolar uma área oca do centro da matéria-prima em crescimento. Ao crescer, o cadinho de grafite é aquecido a 2500 ℃ sob a atmosfera de Ar ou H2, e o pó periférico de SiC é sublimado e decomposto em substâncias da fase de vapor de Si e C, e o cristal de SiC é cultivado na região oca média após o gás o fluxo é transmitido através do grafite poroso.

Terceiro, tecnologia de crescimento de cristal SiC

O crescimento monocristalino do SiC é difícil devido às suas próprias características. Isto se deve principalmente ao fato de que não existe fase líquida com uma razão estequiométrica de Si: C = 1:1 à pressão atmosférica, e não pode ser cultivada pelos métodos de crescimento mais maduros usados ​​pelo atual processo de crescimento principal do semicondutor. indústria - método cZ, método do cadinho caindo e outros métodos. De acordo com o cálculo teórico, somente quando a pressão for superior a 10E5atm e a temperatura for superior a 3200 ℃, a razão estequiométrica de Si: C = solução 1:1 pode ser obtida. Para superar este problema, os cientistas têm feito esforços incessantes para propor vários métodos para obter cristais de SiC de alta qualidade, tamanho grande e baratos. Atualmente, os principais métodos são o método PVT, o método da fase líquida e o método de deposição química de vapor em alta temperatura.