Първо, структурата и свойствата на SiC кристала.
SiC е бинарно съединение, образувано от елемент Si и елемент C в съотношение 1:1, тоест 50% силиций (Si) и 50% въглерод (C), и основната му структурна единица е SI-C тетраедър.
Схематична диаграма на тетраедрова структура от силициев карбид
Например атомите Si са с голям диаметър, еквивалентен на ябълка, а атомите C са с малък диаметър, еквивалентен на портокал, и равен брой портокали и ябълки са натрупани заедно, за да образуват кристал SiC.
SiC е бинарно съединение, в което разстоянието между атомите на връзката Si-Si е 3,89 A, как да разберем това разстояние?В момента най-добрата литографска машина на пазара има литографска точност от 3nm, което е разстояние от 30A, а точността на литография е 8 пъти по-голяма от атомното разстояние.
Енергията на връзката Si-Si е 310 kJ/mol, така че можеш да разбереш, че енергията на връзката е силата, която разделя тези два атома и колкото по-голяма е енергията на връзката, толкова по-голяма е силата, която трябва да разделиш.
Например атомите Si са с голям диаметър, еквивалентен на ябълка, а атомите C са с малък диаметър, еквивалентен на портокал, и равен брой портокали и ябълки са натрупани заедно, за да образуват кристал SiC.
SiC е бинарно съединение, в което разстоянието между атомите на връзката Si-Si е 3,89 A, как да разберем това разстояние?В момента най-добрата литографска машина на пазара има литографска точност от 3nm, което е разстояние от 30A, а точността на литография е 8 пъти по-голяма от атомното разстояние.
Енергията на връзката Si-Si е 310 kJ/mol, така че можеш да разбереш, че енергията на връзката е силата, която разделя тези два атома и колкото по-голяма е енергията на връзката, толкова по-голяма е силата, която трябва да разделиш.
Схематична диаграма на тетраедрова структура от силициев карбид
Например атомите Si са с голям диаметър, еквивалентен на ябълка, а атомите C са с малък диаметър, еквивалентен на портокал, и равен брой портокали и ябълки са натрупани заедно, за да образуват кристал SiC.
SiC е бинарно съединение, в което разстоянието между атомите на връзката Si-Si е 3,89 A, как да разберем това разстояние?В момента най-добрата литографска машина на пазара има литографска точност от 3nm, което е разстояние от 30A, а точността на литография е 8 пъти по-голяма от атомното разстояние.
Енергията на връзката Si-Si е 310 kJ/mol, така че можеш да разбереш, че енергията на връзката е силата, която разделя тези два атома и колкото по-голяма е енергията на връзката, толкова по-голяма е силата, която трябва да разделиш.
Например атомите Si са с голям диаметър, еквивалентен на ябълка, а атомите C са с малък диаметър, еквивалентен на портокал, и равен брой портокали и ябълки са натрупани заедно, за да образуват кристал SiC.
SiC е бинарно съединение, в което разстоянието между атомите на връзката Si-Si е 3,89 A, как да разберем това разстояние?В момента най-добрата литографска машина на пазара има литографска точност от 3nm, което е разстояние от 30A, а точността на литография е 8 пъти по-голяма от атомното разстояние.
Енергията на връзката Si-Si е 310 kJ/mol, така че можеш да разбереш, че енергията на връзката е силата, която разделя тези два атома и колкото по-голяма е енергията на връзката, толкова по-голяма е силата, която трябва да разделиш.
Знаем, че всяко вещество е изградено от атоми и структурата на кристала е правилно подреждане на атоми, което се нарича ред на далечни разстояния, като следното.Най-малката кристална единица се нарича клетка, ако клетката е кубична структура, тя се нарича плътно опакован куб, а клетката е хексагонална структура, тя се нарича плътно опакован хексагон.
Често срещаните типове кристали SiC включват 3C-SiC, 4H-SiC, 6H-SiC, 15R-SiC и т.н. Последователността им на подреждане в посоката на оста c е показана на фигурата.
Сред тях основната последователност на подреждане на 4H-SiC е ABCB... ;Основната последователност на подреждане на 6H-SiC е ABCACB... ;Основната последователност на подреждане на 15R-SiC е ABCACBCABACABCB... .
Това може да се разглежда като тухла за изграждане на къща, някои от тухлите на къщата имат три начина за поставяне, някои имат четири начина за поставяне, някои имат шест начина.
Основните параметри на клетките на тези често срещани типове кристали SiC са показани в таблицата:
Какво означават a, b, c и ъгли?Структурата на най-малката единична клетка в SiC полупроводник е описана, както следва:
В случай на една и съща клетка кристалната структура също ще бъде различна, това е все едно купуваме от лотарията, печелившото число е 1, 2, 3, купили сте 1, 2, 3 три числа, но ако числото е сортирано по различен начин, печелившата сума е различна, така че броят и редът на един и същ кристал може да се нарече един и същ кристал.
Следващата фигура показва двата типични режима на подреждане, само разликата в режима на подреждане на горните атоми, кристалната структура е различна.
Кристалната структура, образувана от SiC, е силно свързана с температурата.Под действието на висока температура от 1900~2000 ℃, 3C-SiC бавно ще се трансформира в шестоъгълна SiC полиформа като 6H-SiC поради слабата си структурна стабилност.Именно поради силната корелация между вероятността за образуване на SiC полиморфи и температурата и нестабилността на самия 3C-SiC, скоростта на растеж на 3C-SiC е трудна за подобряване и подготовката е трудна.Хексагоналната система от 4H-SiC и 6H-SiC е най-често срещаната и по-лесна за приготвяне и е широко изследвана поради собствените си характеристики.
Дължината на връзката на SI-C връзката в SiC кристал е само 1,89 A, но енергията на свързване е толкова висока, колкото 4,53 eV.Следователно пропастта в енергийното ниво между свързващото състояние и антисвързващото състояние е много голяма и може да се образува широка забранена лента, която е няколко пъти по-голяма от Si и GaAs.По-голямата ширина на забранената лента означава, че високотемпературната кристална структура е стабилна.Свързаната силова електроника може да реализира характеристиките на стабилна работа при високи температури и опростена структура за разсейване на топлината.
Здравото свързване на Si-C връзката кара решетката да има висока честота на вибрации, тоест фонон с висока енергия, което означава, че кристалът SiC има висока подвижност на наситени електрони и топлопроводимост, а свързаните с това силови електронни устройства имат по-висока скорост на превключване и надеждност, което намалява риска от повреда на устройството при прегряване.В допълнение, по-високата сила на пробивното поле на SiC му позволява да постигне по-високи концентрации на допинг и да има по-ниско съпротивление при включване.
Второ, историята на развитието на кристалите SiC
През 1905 г. д-р Анри Моасан открива естествен SiC кристал в кратера, който открива, че прилича на диамант и го нарича диамант Мосан.
Всъщност още през 1885 г. Acheson получава SiC чрез смесване на кокс със силициев диоксид и нагряването му в електрическа пещ.По това време хората го бъркаха със смес от диаманти и го наричаха шмиргел.
През 1892 г. Ачесън подобрява процеса на синтез, смесва кварцов пясък, кокс, малко количество дървесни стърготини и NaCl и го нагрява в електродъгова пещ до 2700 ℃ и успешно получава люспести кристали SiC.Този метод за синтезиране на SiC кристали е известен като метода на Acheson и все още е основният метод за производство на SiC абразиви в индустрията.Поради ниската чистота на синтетичните суровини и грубия процес на синтез, методът на Acheson произвежда повече SiC примеси, лоша кристална цялост и малък диаметър на кристалите, което е трудно да се отговори на изискванията на полупроводниковата индустрия за големи размери, висока чистота и висока -качествени кристали и не могат да се използват за производство на електронни устройства.
Lely от Philips Laboratory предложи нов метод за отглеждане на SiC монокристали през 1955 г. В този метод графитен тигел се използва като съд за растеж, SiC прахообразен кристал се използва като суровина за отглеждане на SiC кристал, а порест графит се използва за изолиране куха зона от центъра на растящата суровина.При отглеждане графитният тигел се нагрява до 2500 ℃ в атмосферата на Ar или H2, а периферният SiC прах се сублимира и разлага на Si и C парна фаза, а SiC кристалът се отглежда в средната куха област след газа. потокът се предава през порестия графит.
Трето, технология за растеж на кристали SiC
Растежът на единичен кристал на SiC е труден поради неговите собствени характеристики.Това се дължи главно на факта, че няма течна фаза със стехиометрично съотношение Si: C = 1:1 при атмосферно налягане и не може да се отглежда чрез по-зрелите методи за растеж, използвани от текущия основен процес на растеж на полупроводниците индустрия - метод cZ, метод на падащ тигел и други методи.Според теоретичното изчисление, само когато налягането е по-голямо от 10E5atm и температурата е по-висока от 3200 ℃, може да се получи стехиометричното съотношение на Si: C = 1: 1 разтвор.За да преодолеят този проблем, учените са положили непрестанни усилия да предложат различни методи за получаване на кристали с високо качество, голям размер и евтини SiC кристали.Понастоящем основните методи са PVT метод, метод на течна фаза и метод на високотемпературно парно химическо отлагане.
Време на публикуване: 24 януари 2024 г