Πρώτον, η δομή και οι ιδιότητες του κρυστάλλου SiC.
Το SiC είναι μια δυαδική ένωση που σχηματίζεται από στοιχείο Si και στοιχείο C σε αναλογία 1:1, δηλαδή 50% πυρίτιο (Si) και 50% άνθρακα (C), και η βασική δομική μονάδα του είναι το τετράεδρο SI-C.
Σχηματικό διάγραμμα τετραεδρικής δομής καρβιδίου του πυριτίου
Για παράδειγμα, τα άτομα Si έχουν μεγάλη διάμετρο, ισοδύναμα με ένα μήλο, και τα άτομα C είναι μικρής διαμέτρου, ισοδύναμα με ένα πορτοκάλι, και ίσος αριθμός πορτοκαλιών και μήλων στοιβάζονται μεταξύ τους για να σχηματίσουν έναν κρύσταλλο SiC.
Το SiC είναι μια δυαδική ένωση, στην οποία η απόσταση των ατόμων του δεσμού Si-Si είναι 3,89 A, πώς να κατανοήσουμε αυτή την απόσταση; Προς το παρόν, το πιο εξαιρετικό μηχάνημα λιθογραφίας στην αγορά έχει ακρίβεια λιθογραφίας 3 nm, δηλαδή απόσταση 30 Α και η ακρίβεια λιθογραφίας είναι 8 φορές μεγαλύτερη από την ατομική απόσταση.
Η ενέργεια του δεσμού Si-Si είναι 310 kJ/mol, επομένως μπορείτε να καταλάβετε ότι η ενέργεια του δεσμού είναι η δύναμη που απομακρύνει αυτά τα δύο άτομα και όσο μεγαλύτερη είναι η ενέργεια του δεσμού, τόσο μεγαλύτερη είναι η δύναμη που χρειάζεστε για να χωρίσετε.
Για παράδειγμα, τα άτομα Si έχουν μεγάλη διάμετρο, ισοδύναμα με ένα μήλο, και τα άτομα C είναι μικρής διαμέτρου, ισοδύναμα με ένα πορτοκάλι, και ίσος αριθμός πορτοκαλιών και μήλων στοιβάζονται μεταξύ τους για να σχηματίσουν έναν κρύσταλλο SiC.
Το SiC είναι μια δυαδική ένωση, στην οποία η απόσταση των ατόμων του δεσμού Si-Si είναι 3,89 A, πώς να κατανοήσουμε αυτή την απόσταση; Προς το παρόν, το πιο εξαιρετικό μηχάνημα λιθογραφίας στην αγορά έχει ακρίβεια λιθογραφίας 3 nm, δηλαδή απόσταση 30 Α και η ακρίβεια λιθογραφίας είναι 8 φορές μεγαλύτερη από την ατομική απόσταση.
Η ενέργεια του δεσμού Si-Si είναι 310 kJ/mol, επομένως μπορείτε να καταλάβετε ότι η ενέργεια του δεσμού είναι η δύναμη που απομακρύνει αυτά τα δύο άτομα και όσο μεγαλύτερη είναι η ενέργεια του δεσμού, τόσο μεγαλύτερη είναι η δύναμη που χρειάζεστε για να χωρίσετε.
Σχηματικό διάγραμμα τετραεδρικής δομής καρβιδίου του πυριτίου
Για παράδειγμα, τα άτομα Si έχουν μεγάλη διάμετρο, ισοδύναμα με ένα μήλο, και τα άτομα C είναι μικρής διαμέτρου, ισοδύναμα με ένα πορτοκάλι, και ίσος αριθμός πορτοκαλιών και μήλων στοιβάζονται μεταξύ τους για να σχηματίσουν έναν κρύσταλλο SiC.
Το SiC είναι μια δυαδική ένωση, στην οποία η απόσταση των ατόμων του δεσμού Si-Si είναι 3,89 A, πώς να κατανοήσουμε αυτή την απόσταση; Προς το παρόν, το πιο εξαιρετικό μηχάνημα λιθογραφίας στην αγορά έχει ακρίβεια λιθογραφίας 3 nm, δηλαδή απόσταση 30 Α και η ακρίβεια λιθογραφίας είναι 8 φορές μεγαλύτερη από την ατομική απόσταση.
Η ενέργεια του δεσμού Si-Si είναι 310 kJ/mol, επομένως μπορείτε να καταλάβετε ότι η ενέργεια του δεσμού είναι η δύναμη που απομακρύνει αυτά τα δύο άτομα και όσο μεγαλύτερη είναι η ενέργεια του δεσμού, τόσο μεγαλύτερη είναι η δύναμη που χρειάζεστε για να χωρίσετε.
Για παράδειγμα, τα άτομα Si έχουν μεγάλη διάμετρο, ισοδύναμα με ένα μήλο, και τα άτομα C είναι μικρής διαμέτρου, ισοδύναμα με ένα πορτοκάλι, και ίσος αριθμός πορτοκαλιών και μήλων στοιβάζονται μεταξύ τους για να σχηματίσουν έναν κρύσταλλο SiC.
Το SiC είναι μια δυαδική ένωση, στην οποία η απόσταση των ατόμων του δεσμού Si-Si είναι 3,89 A, πώς να κατανοήσουμε αυτή την απόσταση; Προς το παρόν, το πιο εξαιρετικό μηχάνημα λιθογραφίας στην αγορά έχει ακρίβεια λιθογραφίας 3 nm, δηλαδή απόσταση 30 Α και η ακρίβεια λιθογραφίας είναι 8 φορές μεγαλύτερη από την ατομική απόσταση.
Η ενέργεια του δεσμού Si-Si είναι 310 kJ/mol, επομένως μπορείτε να καταλάβετε ότι η ενέργεια του δεσμού είναι η δύναμη που απομακρύνει αυτά τα δύο άτομα και όσο μεγαλύτερη είναι η ενέργεια του δεσμού, τόσο μεγαλύτερη είναι η δύναμη που χρειάζεστε για να χωρίσετε.
Γνωρίζουμε ότι κάθε ουσία αποτελείται από άτομα και η δομή ενός κρυστάλλου είναι μια κανονική διάταξη ατόμων, η οποία ονομάζεται τάξη μεγάλης εμβέλειας, όπως η παρακάτω. Η μικρότερη κρυσταλλική μονάδα ονομάζεται κυψέλη, αν η κυψέλη είναι κυβική δομή, ονομάζεται κλειστή κυβική και η κυψέλη είναι εξαγωνική δομή, ονομάζεται κλειστή εξάγωνη.
Οι συνήθεις τύποι κρυστάλλων SiC περιλαμβάνουν 3C-SiC, 4H-SiC, 6H-SiC, 15R-SiC, κ.λπ. Η αλληλουχία στοίβαξης τους στην κατεύθυνση του άξονα c φαίνεται στο σχήμα.
Μεταξύ αυτών, η βασική ακολουθία στοίβαξης του 4H-SiC είναι το ABCB... ; Η βασική ακολουθία στοίβαξης του 6H-SiC είναι το ABCACB... ; Η βασική ακολουθία στοίβαξης του 15R-SiC είναι ABCACBCABACABCB... .
Αυτό μπορεί να θεωρηθεί ως τούβλο για την οικοδόμηση ενός σπιτιού, μερικά από τα τούβλα του σπιτιού έχουν τρεις τρόπους τοποθέτησής τους, μερικά έχουν τέσσερις τρόπους τοποθέτησης, μερικά έχουν έξι τρόπους.
Οι βασικές παράμετροι κυψελών αυτών των κοινών τύπων κρυστάλλων SiC φαίνονται στον πίνακα:
Τι σημαίνουν τα α, β, γ και γωνίες; Η δομή της μικρότερης μονάδας κυψέλης σε έναν ημιαγωγό SiC περιγράφεται ως εξής:
Στην περίπτωση του ίδιου κελιού, η κρυσταλλική δομή θα είναι επίσης διαφορετική, αυτό είναι σαν να αγοράζουμε το λαχείο, ο αριθμός που κερδίζει είναι 1, 2, 3, αγοράσατε 1, 2, 3 τρεις αριθμούς, αλλά αν ο αριθμός είναι ταξινομημένος Διαφορετικά, το ποσό νίκης είναι διαφορετικό, επομένως ο αριθμός και η σειρά του ίδιου κρυστάλλου, μπορεί να ονομαστεί το ίδιο κρύσταλλο.
Το παρακάτω σχήμα δείχνει τους δύο τυπικούς τρόπους στοίβαξης, μόνο η διαφορά στον τρόπο στοίβαξης των ανώτερων ατόμων, η κρυσταλλική δομή είναι διαφορετική.
Η κρυσταλλική δομή που σχηματίζεται από το SiC σχετίζεται στενά με τη θερμοκρασία. Κάτω από τη δράση της υψηλής θερμοκρασίας 1900~2000 ℃, το 3C-SiC θα μετατραπεί αργά σε εξαγωνική πολυμορφή SiC όπως το 6H-SiC λόγω της κακής δομικής του σταθερότητας. Ακριβώς λόγω της ισχυρής συσχέτισης μεταξύ της πιθανότητας σχηματισμού πολυμορφών SiC και της θερμοκρασίας, και της αστάθειας του ίδιου του 3C-SiC, ο ρυθμός ανάπτυξης του 3C-SiC είναι δύσκολο να βελτιωθεί και η προετοιμασία είναι δύσκολη. Το εξαγωνικό σύστημα 4H-SiC και 6H-SiC είναι το πιο συνηθισμένο και πιο εύκολο στην παρασκευή του και μελετάται ευρέως λόγω των δικών τους χαρακτηριστικών.
Το μήκος δεσμού του δεσμού SI-C στον κρύσταλλο SiC είναι μόνο 1,89Α, αλλά η ενέργεια δέσμευσης είναι τόσο υψηλή όσο 4,53 eV. Επομένως, το χάσμα στάθμης ενέργειας μεταξύ της κατάστασης σύνδεσης και της κατάστασης αντι-δεσμού είναι πολύ μεγάλο και μπορεί να σχηματιστεί ένα ευρύ διάκενο ζώνης, το οποίο είναι πολλαπλάσιο από αυτό των Si και GaAs. Το μεγαλύτερο πλάτος διάκενου ζώνης σημαίνει ότι η κρυσταλλική δομή υψηλής θερμοκρασίας είναι σταθερή. Τα σχετικά ηλεκτρονικά ισχύος μπορούν να συνειδητοποιήσουν τα χαρακτηριστικά της σταθερής λειτουργίας σε υψηλές θερμοκρασίες και της απλοποιημένης δομής απαγωγής θερμότητας.
Η σφιχτή σύνδεση του δεσμού Si-C κάνει το πλέγμα να έχει υψηλή συχνότητα δόνησης, δηλαδή ένα φωνόνιο υψηλής ενέργειας, που σημαίνει ότι ο κρύσταλλος SiC έχει υψηλή κινητικότητα κορεσμένων ηλεκτρονίων και θερμική αγωγιμότητα και οι σχετικές ηλεκτρονικές συσκευές ισχύος έχουν υψηλότερη ταχύτητα και αξιοπιστία μεταγωγής, η οποία μειώνει τον κίνδυνο αστοχίας υπερθέρμανσης της συσκευής. Επιπλέον, η υψηλότερη ισχύς πεδίου διάσπασης του SiC του επιτρέπει να επιτύχει υψηλότερες συγκεντρώσεις ντόπινγκ και να έχει χαμηλότερη αντίσταση.
Δεύτερον, η ιστορία της ανάπτυξης κρυστάλλων SiC
Το 1905, ο Δρ. Henri Moissan ανακάλυψε έναν φυσικό κρύσταλλο SiC στον κρατήρα, τον οποίο βρήκε ότι έμοιαζε με διαμάντι και το ονόμασε διαμάντι Mosan.
Στην πραγματικότητα, ήδη από το 1885, ο Acheson έλαβε SiC αναμειγνύοντας οπτάνθρακα με πυρίτιο και θερμαίνοντάς το σε ηλεκτρικό κλίβανο. Εκείνη την εποχή, οι άνθρωποι το μπέρδεψαν με ένα μείγμα διαμαντιών και το ονόμασαν σμύριδα.
Το 1892, ο Acheson βελτίωσε τη διαδικασία σύνθεσης, ανακάτεψε χαλαζιακή άμμο, οπτάνθρακα, μικρή ποσότητα θρυμμάτων ξύλου και NaCl και το θέρμανε σε φούρνο ηλεκτρικού τόξου στους 2700℃ και έλαβε με επιτυχία φολιδωμένους κρυστάλλους SiC. Αυτή η μέθοδος σύνθεσης κρυστάλλων SiC είναι γνωστή ως μέθοδος Acheson και εξακολουθεί να είναι η κύρια μέθοδος παραγωγής λειαντικών SiC στη βιομηχανία. Λόγω της χαμηλής καθαρότητας των συνθετικών πρώτων υλών και της ακατέργαστης διαδικασίας σύνθεσης, η μέθοδος Acheson παράγει περισσότερες ακαθαρσίες SiC, κακή ακεραιότητα κρυστάλλου και μικρή διάμετρο κρυστάλλου, κάτι που είναι δύσκολο να καλύψει τις απαιτήσεις της βιομηχανίας ημιαγωγών για μεγάλου μεγέθους, υψηλής καθαρότητας και υψηλής - κρυστάλλους ποιότητας και δεν μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την κατασκευή ηλεκτρονικών συσκευών.
Η Lely του εργαστηρίου Philips πρότεινε μια νέα μέθοδο για την καλλιέργεια μονοκρυστάλλων SiC το 1955. Σε αυτή τη μέθοδο, χωνευτήριο γραφίτη χρησιμοποιείται ως δοχείο ανάπτυξης, κρύσταλλος σκόνης SiC χρησιμοποιείται ως πρώτη ύλη για την καλλιέργεια κρυστάλλου SiC και πορώδης γραφίτης χρησιμοποιείται για την απομόνωση μια κοίλη περιοχή από το κέντρο της αναπτυσσόμενης πρώτης ύλης. Κατά την ανάπτυξη, το χωνευτήριο γραφίτη θερμαίνεται στους 2500℃ κάτω από την ατμόσφαιρα του Ar ή του H2, και η περιφερειακή σκόνη SiC εξαχνώνεται και αποσυντίθεται σε ουσίες φάσης ατμού Si και C και ο κρύσταλλος SiC αναπτύσσεται στη μεσαία κοίλη περιοχή μετά το αέριο. η ροή μεταδίδεται μέσω του πορώδους γραφίτη.
Τρίτον, τεχνολογία ανάπτυξης κρυστάλλων SiC
Η μονοκρυσταλλική ανάπτυξη του SiC είναι δύσκολη λόγω των δικών του χαρακτηριστικών. Αυτό οφείλεται κυρίως στο γεγονός ότι δεν υπάρχει υγρή φάση με στοιχειομετρική αναλογία Si: C = 1:1 σε ατμοσφαιρική πίεση και δεν μπορεί να αναπτυχθεί με τις πιο ώριμες μεθόδους ανάπτυξης που χρησιμοποιούνται από την τρέχουσα κύρια διαδικασία ανάπτυξης του ημιαγωγού. βιομηχανία - μέθοδος cZ, μέθοδος πτώσης χωνευτηρίου και άλλες μέθοδοι. Σύμφωνα με τον θεωρητικό υπολογισμό, μόνο όταν η πίεση είναι μεγαλύτερη από 10E5atm και η θερμοκρασία είναι υψηλότερη από 3200℃, μπορεί να ληφθεί η στοιχειομετρική αναλογία διαλύματος Si: C = 1:1. Για να ξεπεραστεί αυτό το πρόβλημα, οι επιστήμονες έχουν κάνει αδιάκοπες προσπάθειες να προτείνουν διάφορες μεθόδους για την απόκτηση κρυστάλλων υψηλής ποιότητας, μεγάλου μεγέθους και φθηνών κρυστάλλων SiC. Επί του παρόντος, οι κύριες μέθοδοι είναι η μέθοδος PVT, η μέθοδος υγρής φάσης και η μέθοδος χημικής εναπόθεσης ατμών υψηλής θερμοκρασίας.
Ώρα δημοσίευσης: Ιαν-24-2024