En primeiro lugar, a estrutura e as propiedades do cristal SiC.
SiC é un composto binario formado por elemento Si e elemento C en proporción 1:1, é dicir, 50% silicio (Si) e 50% carbono (C), e a súa unidade estrutural básica é o tetraedro SI-C.
Diagrama esquemático da estrutura do tetraedro de carburo de silicio
Por exemplo, os átomos de Si teñen un diámetro grande, equivalente a unha mazá, e os átomos de C teñen un diámetro pequeno, equivalente a unha laranxa, e un número igual de laranxas e mazás amontoanse para formar un cristal de SiC.
SiC é un composto binario, no que a separación entre átomos do enlace Si-Si é de 3,89 A, como entender esta separación? Actualmente, a máquina de litografía máis excelente do mercado ten unha precisión de litografía de 3 nm, que é unha distancia de 30 A, e a precisión da litografía é 8 veces a distancia atómica.
A enerxía do enlace Si-Si é de 310 kJ/mol, polo que podes entender que a enerxía do enlace é a forza que separa estes dous átomos, e canto maior sexa a enerxía do enlace, maior será a forza que necesitas para separar.
Por exemplo, os átomos de Si teñen un diámetro grande, equivalente a unha mazá, e os átomos de C teñen un diámetro pequeno, equivalente a unha laranxa, e un número igual de laranxas e mazás amontoanse para formar un cristal de SiC.
SiC é un composto binario, no que a separación entre átomos do enlace Si-Si é de 3,89 A, como entender esta separación? Actualmente, a máquina de litografía máis excelente do mercado ten unha precisión de litografía de 3 nm, que é unha distancia de 30 A, e a precisión da litografía é 8 veces a distancia atómica.
A enerxía do enlace Si-Si é de 310 kJ/mol, polo que podes entender que a enerxía do enlace é a forza que separa estes dous átomos, e canto maior sexa a enerxía do enlace, maior será a forza que necesitas para separar.
Diagrama esquemático da estrutura do tetraedro de carburo de silicio
Por exemplo, os átomos de Si teñen un diámetro grande, equivalente a unha mazá, e os átomos de C teñen un diámetro pequeno, equivalente a unha laranxa, e un número igual de laranxas e mazás amontoanse para formar un cristal de SiC.
SiC é un composto binario, no que a separación entre átomos do enlace Si-Si é de 3,89 A, como entender esta separación? Actualmente, a máquina de litografía máis excelente do mercado ten unha precisión de litografía de 3 nm, que é unha distancia de 30 A, e a precisión da litografía é 8 veces a distancia atómica.
A enerxía do enlace Si-Si é de 310 kJ/mol, polo que podes entender que a enerxía do enlace é a forza que separa estes dous átomos, e canto maior sexa a enerxía do enlace, maior será a forza que necesitas para separar.
Por exemplo, os átomos de Si teñen un diámetro grande, equivalente a unha mazá, e os átomos de C teñen un diámetro pequeno, equivalente a unha laranxa, e un número igual de laranxas e mazás amontoanse para formar un cristal de SiC.
SiC é un composto binario, no que a separación entre átomos do enlace Si-Si é de 3,89 A, como entender esta separación? Actualmente, a máquina de litografía máis excelente do mercado ten unha precisión de litografía de 3 nm, que é unha distancia de 30 A, e a precisión da litografía é 8 veces a distancia atómica.
A enerxía do enlace Si-Si é de 310 kJ/mol, polo que podes entender que a enerxía do enlace é a forza que separa estes dous átomos, e canto maior sexa a enerxía do enlace, maior será a forza que necesitas para separar.
Sabemos que toda substancia está formada por átomos e que a estrutura dun cristal é unha disposición regular de átomos, que se chama orde de longo alcance, como a seguinte. A unidade de cristal máis pequena chámase célula, se a célula é unha estrutura cúbica, chámase cúbica pechada e a célula é unha estrutura hexagonal, chámase hexagonal pechada.
Os tipos de cristais de SiC comúns inclúen 3C-SiC, 4H-SiC, 6H-SiC, 15R-SiC, etc. A súa secuencia de apilado na dirección do eixe c móstrase na figura.
Entre eles, a secuencia de apilamiento básica do 4H-SiC é ABCB... ; A secuencia de apilado básica do 6H-SiC é ABCACB... ; A secuencia de apilado básica do 15R-SiC é ABCACBCABACABCB... .
Isto pódese ver como un ladrillo para construír unha casa, algúns dos ladrillos da casa teñen tres formas de colocalos, algúns teñen catro formas de colocalos, outros teñen seis formas.
Os parámetros básicos das células destes tipos de cristais de SiC comúns móstranse na táboa:
Que significan a, b, c e os ángulos? A estrutura da cela unitaria máis pequena dun semicondutor SiC descríbese do seguinte xeito:
No caso da mesma cela, a estrutura cristalina tamén será diferente, é como si comprasemos a lotería, o número gañador é 1, 2, 3, compraches 1, 2, 3 tres números, pero se o número está ordenado de forma diferente, a cantidade gañadora é diferente, polo que o número e a orde do mesmo cristal pódense chamar o mesmo cristal.
A seguinte figura mostra os dous modos de apilado típicos, só a diferenza no modo de apilado dos átomos superiores, a estrutura cristalina é diferente.
A estrutura cristalina formada polo SiC está moi relacionada coa temperatura. Baixo a acción da alta temperatura de 1900 ~ 2000 ℃, o 3C-SiC transformarase lentamente en poliforma hexagonal de SiC como o 6H-SiC debido á súa escasa estabilidade estrutural. É precisamente pola forte correlación entre a probabilidade de formación de polimorfos de SiC e a temperatura, e a inestabilidade do propio 3C-SiC, a taxa de crecemento do 3C-SiC é difícil de mellorar e a preparación é difícil. O sistema hexagonal de 4H-SiC e 6H-SiC son os máis comúns e máis fáciles de preparar, e son amplamente estudados polas súas propias características.
A lonxitude de enlace do enlace SI-C no cristal de SiC é só de 1,89 A, pero a enerxía de unión é de ata 4,53 eV. Polo tanto, a diferenza de nivel de enerxía entre o estado de unión e o estado antienlace é moi grande e pódese formar unha brecha de banda ampla, que é varias veces a do Si e do GaAs. O ancho de banda maior significa que a estrutura cristalina de alta temperatura é estable. A electrónica de potencia asociada pode realizar as características dun funcionamento estable a altas temperaturas e unha estrutura simplificada de disipación de calor.
A estreita unión do enlace Si-C fai que a rede teña unha alta frecuencia de vibración, é dicir, un fonón de alta enerxía, o que significa que o cristal SiC ten unha alta mobilidade de electróns saturados e condutividade térmica, e os dispositivos electrónicos de potencia relacionados teñen un maior velocidade de conmutación e fiabilidade, o que reduce o risco de falla por sobretemperatura do dispositivo. Ademais, a maior intensidade de campo de ruptura do SiC permítelle acadar maiores concentracións de dopaxe e ter unha menor resistencia á activación.
En segundo lugar, a historia do desenvolvemento de cristais de SiC
En 1905, o doutor Henri Moissan descubriu un cristal natural de SiC no cráter, que semellaba un diamante e chamouno diamante Mosan.
De feito, xa en 1885, Acheson obtivo SiC mesturando coque con sílice e quentándoo nun forno eléctrico. Naquel momento, a xente confundíao cunha mestura de diamantes e chamábao esmeril.
En 1892, Acheson mellorou o proceso de síntese, mesturou area de cuarzo, coque, unha pequena cantidade de lascas de madeira e NaCl e quentouno nun forno de arco eléctrico a 2700 ℃ e obtivo con éxito cristais de SiC escamosos. Este método de síntese de cristais de SiC coñécese como método Acheson e aínda é o método principal de produción de abrasivos de SiC na industria. Debido á baixa pureza das materias primas sintéticas e ao proceso de síntese áspero, o método Acheson produce máis impurezas de SiC, unha mala integridade do cristal e un pequeno diámetro de cristal, o que é difícil de satisfacer os requisitos da industria de semicondutores para grandes tamaños, pureza e alta calidade. -cristais de calidade, e non se poden utilizar para fabricar aparellos electrónicos.
Lely, do Laboratorio Philips, propuxo un novo método para o cultivo de cristais sinxelos de SiC en 1955. Neste método, utilízase un crisol de grafito como recipiente de crecemento, o cristal en po de SiC como materia prima para o cultivo de cristais de SiC e o grafito poroso úsase para illar. unha zona oca desde o centro da materia prima en crecemento. Ao crecer, o crisol de grafito quéntase a 2500 ℃ baixo a atmosfera de Ar ou H2, e o po de SiC periférico sublímase e descompónse en substancias en fase de vapor Si e C, e o cristal de SiC crece na rexión oca media despois do gas. O fluxo transmítese a través do grafito poroso.
En terceiro lugar, tecnoloxía de crecemento de cristal SiC
O crecemento monocristal do SiC é difícil debido ás súas propias características. Isto débese principalmente ao feito de que non hai fase líquida cunha relación estequiométrica de Si: C = 1:1 a presión atmosférica, e non se pode cultivar polos métodos de crecemento máis maduros utilizados polo proceso de crecemento actual do semicondutor. industria - método cZ, método de crisol de caída e outros métodos. Segundo o cálculo teórico, só cando a presión é superior a 10 E5 atm e a temperatura é superior a 3200 ℃, pódese obter a relación estequiométrica de solución Si: C = 1: 1. Para superar este problema, os científicos fixeron esforzos incesantes para propoñer varios métodos para obter cristais de SiC de gran calidade, gran tamaño e baratos. Na actualidade, os principais métodos son o método PVT, o método en fase líquida e o método de deposición química en vapor de alta temperatura.
Hora de publicación: 24-xan-2024