ข่าว - เทคโนโลยีโครงสร้างและการเจริญเติบโตของซิลิคอนคาร์ไบด์

ขั้นแรก โครงสร้างและคุณสมบัติของคริสตัล SiC.

SiC เป็นสารประกอบไบนารี่ที่เกิดจากองค์ประกอบ Si และองค์ประกอบ C ในอัตราส่วน 1:1 ซึ่งก็คือซิลิคอน 50% (Si) และคาร์บอน 50% (C) และหน่วยโครงสร้างพื้นฐานคือ SI-C จัตุรมุข

แผนผังของโครงสร้างจัตุรมุขซิลิคอนคาร์ไบด์

ตัวอย่างเช่น อะตอมของ Si มีเส้นผ่านศูนย์กลางใหญ่ เทียบเท่ากับแอปเปิ้ล และอะตอม C นั้นมีเส้นผ่านศูนย์กลางเล็ก เทียบเท่ากับส้ม และมีส้มและแอปเปิ้ลจำนวนเท่ากันมากองรวมกันเพื่อสร้างผลึก SiC

SiC เป็นสารประกอบไบนารี่ซึ่งมีระยะห่างระหว่างอะตอมของพันธะ Si-Si เท่ากับ 3.89 A จะเข้าใจระยะห่างนี้ได้อย่างไร ปัจจุบัน เครื่องการพิมพ์หินที่ยอดเยี่ยมที่สุดในตลาดมีความแม่นยำในการพิมพ์หินที่ 3 นาโนเมตร ซึ่งเป็นระยะทาง 30A และความแม่นยำในการพิมพ์หินคือ 8 เท่าของระยะห่างของอะตอม

พลังงานพันธะ Si-Si อยู่ที่ 310 kJ/mol ดังนั้น คุณจึงเข้าใจได้ว่าพลังงานพันธะคือแรงที่ดึงอะตอมทั้งสองออกจากกัน และยิ่งพลังงานพันธะมากขึ้น แรงที่คุณต้องดึงออกจากกันก็จะยิ่งมากขึ้นเท่านั้น

แผนผังของโครงสร้างจัตุรมุขซิลิคอนคาร์ไบด์

เรารู้ว่าสสารทุกชนิดประกอบด้วยอะตอม และโครงสร้างของคริสตัลคือการจัดเรียงอะตอมอย่างสม่ำเสมอ ซึ่งเรียกว่าลำดับพิสัยไกล ดังตัวอย่างต่อไปนี้ หน่วยผลึกที่เล็กที่สุดเรียกว่าเซลล์ ถ้าเซลล์มีโครงสร้างลูกบาศก์ จะเรียกว่าลูกบาศก์บรรจุปิด และเซลล์มีโครงสร้างหกเหลี่ยม เรียกว่าหกเหลี่ยมบรรจุปิด

ประเภทผลึก SiC ทั่วไป ได้แก่ 3C-SiC, 4H-SiC, 6H-SiC, 15R-SiC เป็นต้น ลำดับการเรียงซ้อนในทิศทางแกน c จะแสดงในรูป

ลำดับการซ้อนพื้นฐานของ 4H-SiC คือ ABCB... ; ลำดับการซ้อนพื้นฐานของ 6H-SiC คือ ABCACB... ; ลำดับการซ้อนพื้นฐานของ 15R-SiC คือ ABCACBCABACABCB...

ซึ่งเห็นได้ว่าเป็นอิฐสำหรับสร้างบ้าน อิฐบ้านบางก้อนมีวิธีวาง 3 วิธี บางวิธีวาง 4 วิธี บางวิธีมี 6 วิธี
พารามิเตอร์เซลล์พื้นฐานของประเภทคริสตัล SiC ทั่วไปเหล่านี้แสดงอยู่ในตาราง:

a, b, c และมุมหมายถึงอะไร? โครงสร้างของเซลล์หน่วยที่เล็กที่สุดในเซมิคอนดักเตอร์ SiC อธิบายไว้ดังนี้:

ในกรณีเซลล์เดียวกันโครงสร้างผลึกก็จะต่างกันเหมือนเราซื้อลอตเตอรี่ เลขถูก 1 2 3 คุณซื้อ 1 2 3 สามตัว แต่ถ้าเรียงเลขแล้ว ต่างกันจำนวนเงินที่ชนะต่างกันดังนั้นหมายเลขและลำดับของคริสตัลเดียวกันจึงเรียกได้ว่าเป็นคริสตัลเดียวกัน
รูปต่อไปนี้แสดงโหมดการซ้อนทั่วไปสองโหมด เฉพาะความแตกต่างในโหมดการซ้อนของอะตอมด้านบน โครงสร้างผลึกจะแตกต่างกัน

โครงสร้างผลึกที่เกิดจาก SiC มีความสัมพันธ์อย่างมากกับอุณหภูมิ ภายใต้การกระทำที่อุณหภูมิสูง 1900~2000 ℃ 3C-SiC จะค่อยๆ เปลี่ยนเป็นโพลีฟอร์ม SiC หกเหลี่ยม เช่น 6H-SiC เนื่องจากความเสถียรของโครงสร้างไม่ดี เป็นเพราะความสัมพันธ์ที่แข็งแกร่งระหว่างความน่าจะเป็นในการก่อตัวของโพลีมอร์ฟและอุณหภูมิของ SiC และความไม่เสถียรของ 3C-SiC เอง อัตราการเติบโตของ 3C-SiC จึงยากต่อการปรับปรุง และการเตรียมการก็ทำได้ยาก ระบบหกเหลี่ยมของ 4H-SiC และ 6H-SiC เป็นระบบที่ใช้กันทั่วไปและเตรียมง่ายกว่า และได้รับการศึกษาอย่างกว้างขวางเนื่องจากมีลักษณะเฉพาะของตัวเอง

ความยาวพันธะของพันธะ SI-C ในคริสตัล SiC อยู่ที่ 1.89A เท่านั้น แต่พลังงานการจับยึดจะสูงถึง 4.53eV ดังนั้นช่องว่างระดับพลังงานระหว่างสถานะพันธะและสถานะต่อต้านพันธะจึงมีขนาดใหญ่มาก และสามารถสร้างช่องว่างแถบกว้างได้ ซึ่งมากกว่า Si และ GaAs หลายเท่า ความกว้างของช่องว่างของแถบความถี่ที่สูงขึ้นหมายความว่าโครงสร้างผลึกที่มีอุณหภูมิสูงมีความเสถียร อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์กำลังที่เกี่ยวข้องสามารถรับรู้ถึงลักษณะของการทำงานที่เสถียรที่อุณหภูมิสูงและโครงสร้างการกระจายความร้อนที่เรียบง่าย

การยึดเกาะอย่างแน่นหนาของพันธะ Si-C ทำให้โครงตาข่ายมีความถี่การสั่นสะเทือนสูง ซึ่งก็คือหน่วยเสียงพลังงานสูง ซึ่งหมายความว่าคริสตัล SiC มีการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนอิ่มตัวและการนำความร้อนสูง และอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์กำลังที่เกี่ยวข้องก็มี ความเร็วและความน่าเชื่อถือในการสลับที่สูงขึ้น ซึ่งช่วยลดความเสี่ยงของความล้มเหลวของอุปกรณ์ที่มีอุณหภูมิสูงเกินไป นอกจากนี้ ความแรงของสนามแยกส่วนที่สูงขึ้นของ SiC ช่วยให้ได้ความเข้มข้นของสารโด๊ปที่สูงขึ้น และมีความต้านทานออนต่ำลง

ประการที่สอง ประวัติความเป็นมาของการพัฒนาคริสตัล SiC

ในปี 1905 ดร. อองรี มอยส์ซาน ค้นพบคริสตัล SiC ตามธรรมชาติในปล่องภูเขาไฟ ซึ่งเขาพบว่ามีลักษณะคล้ายเพชร และตั้งชื่อให้ว่าเพชรโมซาน

ในความเป็นจริง ในช่วงต้นปี 1885 แอจิสันได้รับ SiC โดยการผสมโค้กกับซิลิกา แล้วให้ความร้อนในเตาไฟฟ้า ในเวลานั้น ผู้คนเข้าใจผิดว่าเป็นส่วนผสมของเพชรและเรียกมันว่ากากเพชร

ในปี 1892 Acheson ได้ปรับปรุงกระบวนการสังเคราะห์ เขาผสมทรายควอทซ์ โค้ก เศษไม้จำนวนเล็กน้อย และ NaCl จากนั้นให้ความร้อนในเตาอาร์คไฟฟ้าที่อุณหภูมิ 2,700°C และได้รับผลึก SiC ที่ตกสะเก็ดได้สำเร็จ วิธีการสังเคราะห์ผลึก SiC นี้เรียกว่าวิธี Acheson และยังคงเป็นวิธีหลักในการผลิตสารกัดกร่อน SiC ในอุตสาหกรรม เนื่องจากวัตถุดิบสังเคราะห์มีความบริสุทธิ์ต่ำและกระบวนการสังเคราะห์แบบหยาบ วิธีการของ Acheson จึงทำให้เกิดสิ่งเจือปน SiC มากขึ้น ความสมบูรณ์ของคริสตัลต่ำ และมีเส้นผ่านศูนย์กลางคริสตัลเล็ก ซึ่งเป็นเรื่องยากที่จะตอบสนองความต้องการของอุตสาหกรรมเซมิคอนดักเตอร์สำหรับขนาดใหญ่ ความบริสุทธิ์สูง และสูง -คริสตัลคุณภาพ และไม่สามารถใช้ในการผลิตอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ได้

ห้องปฏิบัติการ Lely แห่ง Philips เสนอวิธีการใหม่ในการปลูกผลึกเดี่ยว SiC ในปี 1955 ในวิธีการนี้ เบ้าหลอมกราไฟต์ถูกใช้เป็นภาชนะสำหรับการเจริญเติบโต ผลึกผง SiC ถูกใช้เป็นวัตถุดิบสำหรับการปลูกผลึก SiC และใช้กราไฟท์ที่มีรูพรุนเพื่อแยก พื้นที่กลวงจากศูนย์กลางของวัตถุดิบที่กำลังเติบโต เมื่อเติบโต เบ้าหลอมกราไฟท์จะถูกให้ความร้อนถึง 2,500°C ภายใต้บรรยากาศของ Ar หรือ H2 และผง SiC ส่วนต่อพ่วงจะถูกระเหิดและสลายตัวเป็นสารเฟสไอ Si และ C และคริสตัล SiC จะเติบโตในบริเวณกลวงตรงกลางหลังจากก๊าซ การไหลจะถูกส่งผ่านกราไฟท์ที่มีรูพรุน

ประการที่สาม เทคโนโลยีการเติบโตของคริสตัล SiC

การเติบโตของผลึกเดี่ยวของ SiC นั้นทำได้ยากเนื่องจากมีลักษณะเฉพาะของมันเอง สาเหตุหลักมาจากข้อเท็จจริงที่ว่าไม่มีเฟสของเหลวที่มีอัตราส่วนปริมาณสัมพันธ์ของ Si: C = 1:1 ที่ความดันบรรยากาศ และไม่สามารถเติบโตได้ด้วยวิธีการเติบโตที่โตเต็มที่กว่าซึ่งใช้โดยกระบวนการเติบโตกระแสหลักในปัจจุบันของเซมิคอนดักเตอร์ อุตสาหกรรม - วิธี cZ, วิธีล้มเบ้าหลอม และวิธีการอื่นๆ ตามการคำนวณทางทฤษฎี เฉพาะเมื่อความดันมากกว่า 10E5atm และอุณหภูมิสูงกว่า 3200°C เท่านั้น จึงจะได้อัตราส่วนปริมาณสัมพันธ์ของสารละลาย Si: C = 1:1 เพื่อที่จะเอาชนะปัญหานี้ นักวิทยาศาสตร์ได้ใช้ความพยายามอย่างต่อเนื่องในการเสนอวิธีการต่างๆ เพื่อให้ได้คริสตัลคุณภาพสูง ขนาดใหญ่ และราคาถูก ปัจจุบันวิธีการหลักคือวิธี PVT วิธีเฟสของเหลว และวิธีการสะสมสารเคมีด้วยไออุณหภูมิสูง

เวลาโพสต์: 24 ม.ค. 2024

โครงสร้างและเทคโนโลยีการเจริญเติบโตของซิลิคอนคาร์ไบด์ (Ⅰ)