Nyheter - Struktur og vekstteknologi av silisiumkarbid

Først strukturen og egenskapene til SiC-krystall.

SiC er en binær forbindelse dannet av Si-element og C-element i forholdet 1:1, det vil si 50% silisium (Si) og 50% karbon (C), og dens grunnleggende strukturelle enhet er SI-C tetraeder.

Skjematisk diagram av silisiumkarbidtetraederstruktur

For eksempel er Si-atomer store i diameter, tilsvarende et eple, og C-atomer er små i diameter, tilsvarende en appelsin, og et likt antall appelsiner og epler er stablet sammen for å danne en SiC-krystall.

SiC er en binær forbindelse, der Si-Si-bindingsatomavstanden er 3,89 A, hvordan forstå denne avstanden? For tiden har den mest utmerkede litografimaskinen på markedet en litografinøyaktighet på 3nm, som er en avstand på 30A, og litografinøyaktigheten er 8 ganger den av atomavstanden.

Si-Si-bindingsenergien er 310 kJ/mol, så du kan forstå at bindingsenergien er kraften som trekker disse to atomene fra hverandre, og jo større bindingsenergien er, desto større kraft trenger du for å trekke fra hverandre.

Skjematisk diagram av silisiumkarbidtetraederstruktur

Vi vet at hvert stoff består av atomer, og strukturen til en krystall er et regelmessig arrangement av atomer, som kalles en langdistanseorden, som følgende. Den minste krystallenheten kalles en celle, hvis cellen er en kubisk struktur, kalles den en tettpakket kubikk, og cellen er en sekskantet struktur, den kalles en tettpakket sekskant.

Vanlige SiC-krystalltyper inkluderer 3C-SiC, 4H-SiC, 6H-SiC, 15R-SiC, etc. Deres stablingssekvens i c-akseretningen er vist i figuren.

Blant dem er den grunnleggende stablingssekvensen til 4H-SiC ABCB... ; Den grunnleggende stablingssekvensen til 6H-SiC er ABCACB... ; Den grunnleggende stablingssekvensen til 15R-SiC er ABCACBCABACABCB... .

Dette kan sees på som en murstein for å bygge et hus, noen av husklossene har tre måter å plassere dem på, noen har fire måter å plassere dem på, noen har seks måter.
De grunnleggende celleparametrene til disse vanlige SiC-krystalltypene er vist i tabellen:

Hva betyr a, b, c og vinkler? Strukturen til den minste enhetscellen i en SiC-halvleder er beskrevet som følger:

I tilfelle av samme celle vil krystallstrukturen også være annerledes, dette er som om vi kjøper lotteriet, vinnertallet er 1, 2, 3, du kjøpte 1, 2, 3 tre tall, men hvis tallet er sortert forskjellig er gevinstbeløpet forskjellig, så antallet og rekkefølgen til den samme krystallen kan kalles den samme krystallen.
Følgende figur viser de to typiske stablingsmodusene, bare forskjellen i stablingsmodusen til de øvre atomene, krystallstrukturen er forskjellig.

Krystallstrukturen dannet av SiC er sterkt relatert til temperatur. Under påvirkning av høy temperatur på 1900 ~ 2000 ℃, vil 3C-SiC sakte forvandles til sekskantet SiC-polyform som 6H-SiC på grunn av dens dårlige strukturelle stabilitet. Det er nettopp på grunn av den sterke korrelasjonen mellom sannsynligheten for dannelse av SiC-polymorfer og temperatur, og ustabiliteten til 3C-SiC i seg selv, veksthastigheten til 3C-SiC er vanskelig å forbedre, og forberedelsen er vanskelig. Det sekskantede systemet av 4H-SiC og 6H-SiC er de vanligste og lettere å tilberede, og er mye studert på grunn av sine egne egenskaper.

Bindingslengden til SI-C-bindingen i SiC-krystall er bare 1,89A, men bindingsenergien er så høy som 4,53eV. Derfor er energinivågapet mellom bindingstilstanden og anti-bindingstilstanden veldig stort, og det kan dannes et bredt båndgap, som er flere ganger det for Si og GaAs. Den høyere båndgapbredden betyr at høytemperaturkrystallstrukturen er stabil. Den tilhørende kraftelektronikken kan realisere egenskapene til stabil drift ved høye temperaturer og forenklet varmeavledningsstruktur.

Den tette bindingen av Si-C-bindingen gjør at gitteret har en høy vibrasjonsfrekvens, det vil si en høyenergifonon, noe som betyr at SiC-krystallen har en høy mettet elektronmobilitet og termisk ledningsevne, og de relaterte kraftelektroniske enhetene har en høyere byttehastighet og pålitelighet, noe som reduserer risikoen for overtemperaturfeil. I tillegg gjør den høyere nedbrytningsfeltstyrken til SiC det å oppnå høyere dopingkonsentrasjoner og har lavere på-motstand.

For det andre, historien til SiC krystallutvikling

I 1905 oppdaget Dr. Henri Moissan en naturlig SiC-krystall i krateret, som han fant lignet en diamant og kalte den Mosan-diamanten.

Faktisk, allerede i 1885, oppnådde Acheson SiC ved å blande koks med silika og varme det i en elektrisk ovn. På den tiden trodde folk det for en blanding av diamanter og kalte det smergel.

I 1892 forbedret Acheson synteseprosessen, han blandet kvartssand, koks, en liten mengde treflis og NaCl, og varmet det opp i en elektrisk lysbueovn til 2700 ℃, og oppnådde med hell skjellende SiC-krystaller. Denne metoden for å syntetisere SiC-krystaller er kjent som Acheson-metoden og er fortsatt mainstream-metoden for å produsere SiC-slipemidler i industrien. På grunn av den lave renheten til syntetiske råvarer og grov synteseprosess, produserer Acheson-metoden flere SiC-urenheter, dårlig krystallintegritet og liten krystalldiameter, noe som er vanskelig å oppfylle kravene til halvlederindustrien for stor størrelse, høy renhet og høy -kvalitetskrystaller, og kan ikke brukes til å produsere elektroniske enheter.

Lely fra Philips Laboratory foreslo en ny metode for dyrking av SiC-enkeltkrystaller i 1955. I denne metoden brukes grafittdigel som vekstkar, SiC-pulverkrystall brukes som råmateriale for dyrking av SiC-krystall, og porøs grafitt brukes til å isolere et hult område fra midten av den voksende råvaren. Ved vekst varmes grafittdigelen opp til 2500 ℃ under atmosfæren av Ar eller H2, og det perifere SiC-pulveret sublimeres og spaltes til Si- og C-dampfasestoffer, og SiC-krystallen dyrkes i det midterste hule området etter gassen strømning overføres gjennom den porøse grafitten.

For det tredje, SiC krystallvekstteknologi

Enkeltkrystallveksten av SiC er vanskelig på grunn av sine egne egenskaper. Dette er hovedsakelig på grunn av det faktum at det ikke er noen væskefase med et støkiometrisk forhold på Si: C = 1:1 ved atmosfæretrykk, og det kan ikke dyrkes ved de mer modne vekstmetodene som brukes av den nåværende mainstream-vekstprosessen til halvlederen industri - cZ metode, fallende smeltedigel metode og andre metoder. I følge teoretisk beregning, kun når trykket er større enn 10E5atm og temperaturen er høyere enn 3200 ℃, kan det støkiometriske forholdet mellom Si: C = 1:1 løsning oppnås. For å overvinne dette problemet, har forskere gjort en uopphørlig innsats for å foreslå forskjellige metoder for å oppnå høy krystallkvalitet, stor størrelse og billige SiC-krystaller. For tiden er hovedmetodene PVT-metoden, væskefasemetoden og høytemperaturdampkjemisk avsetningsmetode.

Innleggstid: Jan-24-2024

Struktur og vekstteknologi for silisiumkarbid (Ⅰ)