Struktur und Wachstumstechnologie von Siliziumkarbid (Ⅰ)

Erstens die Struktur und Eigenschaften des SiC-Kristalls.

SiC ist eine binäre Verbindung, die aus Si-Element und C-Element im Verhältnis 1:1 besteht, d. h. 50 % Silizium (Si) und 50 % Kohlenstoff (C), und ihre Grundstruktureinheit ist das SI-C-Tetraeder.

Schematische Darstellung der Siliziumkarbid-Tetraederstruktur

 Beispielsweise haben Si-Atome einen großen Durchmesser, der einem Apfel entspricht, und C-Atome haben einen kleinen Durchmesser, der einer Orange entspricht, und eine gleiche Anzahl von Orangen und Äpfeln wird zu einem SiC-Kristall gestapelt.

SiC ist eine binäre Verbindung, in der der Abstand der Si-Si-Bindungsatome 3,89 Å beträgt. Wie ist dieser Abstand zu verstehen? Derzeit verfügt die beste Lithografiemaschine auf dem Markt über eine Lithografiegenauigkeit von 3 nm, was einem Abstand von 30 A entspricht, und die Lithografiegenauigkeit beträgt das Achtfache des atomaren Abstands.

Die Si-Si-Bindungsenergie beträgt 310 kJ/mol. Sie können also verstehen, dass die Bindungsenergie die Kraft ist, die diese beiden Atome auseinanderzieht, und je höher die Bindungsenergie, desto größer die Kraft, die Sie zum Auseinanderziehen benötigen.

 Beispielsweise haben Si-Atome einen großen Durchmesser, der einem Apfel entspricht, und C-Atome haben einen kleinen Durchmesser, der einer Orange entspricht, und eine gleiche Anzahl von Orangen und Äpfeln wird zu einem SiC-Kristall gestapelt.

SiC ist eine binäre Verbindung, in der der Abstand der Si-Si-Bindungsatome 3,89 Å beträgt. Wie ist dieser Abstand zu verstehen? Derzeit verfügt die beste Lithografiemaschine auf dem Markt über eine Lithografiegenauigkeit von 3 nm, was einem Abstand von 30 A entspricht, und die Lithografiegenauigkeit beträgt das Achtfache des atomaren Abstands.

Die Si-Si-Bindungsenergie beträgt 310 kJ/mol. Sie können also verstehen, dass die Bindungsenergie die Kraft ist, die diese beiden Atome auseinanderzieht, und je höher die Bindungsenergie, desto größer die Kraft, die Sie zum Auseinanderziehen benötigen.

Schematische Darstellung der Siliziumkarbid-Tetraederstruktur

 Beispielsweise haben Si-Atome einen großen Durchmesser, der einem Apfel entspricht, und C-Atome haben einen kleinen Durchmesser, der einer Orange entspricht, und eine gleiche Anzahl von Orangen und Äpfeln wird zu einem SiC-Kristall gestapelt.

SiC ist eine binäre Verbindung, in der der Abstand der Si-Si-Bindungsatome 3,89 Å beträgt. Wie ist dieser Abstand zu verstehen? Derzeit verfügt die beste Lithografiemaschine auf dem Markt über eine Lithografiegenauigkeit von 3 nm, was einem Abstand von 30 A entspricht, und die Lithografiegenauigkeit beträgt das Achtfache des atomaren Abstands.

Die Si-Si-Bindungsenergie beträgt 310 kJ/mol. Sie können also verstehen, dass die Bindungsenergie die Kraft ist, die diese beiden Atome auseinanderzieht, und je höher die Bindungsenergie, desto größer die Kraft, die Sie zum Auseinanderziehen benötigen.

 Beispielsweise haben Si-Atome einen großen Durchmesser, der einem Apfel entspricht, und C-Atome haben einen kleinen Durchmesser, der einer Orange entspricht, und eine gleiche Anzahl von Orangen und Äpfeln wird zu einem SiC-Kristall gestapelt.

SiC ist eine binäre Verbindung, in der der Abstand der Si-Si-Bindungsatome 3,89 Å beträgt. Wie ist dieser Abstand zu verstehen? Derzeit verfügt die beste Lithografiemaschine auf dem Markt über eine Lithografiegenauigkeit von 3 nm, was einem Abstand von 30 A entspricht, und die Lithografiegenauigkeit beträgt das Achtfache des atomaren Abstands.

Die Si-Si-Bindungsenergie beträgt 310 kJ/mol. Sie können also verstehen, dass die Bindungsenergie die Kraft ist, die diese beiden Atome auseinanderzieht, und je höher die Bindungsenergie, desto größer die Kraft, die Sie zum Auseinanderziehen benötigen.

Wir wissen, dass jede Substanz aus Atomen besteht und die Struktur eines Kristalls eine regelmäßige Anordnung von Atomen ist, die wie folgt als Fernordnung bezeichnet wird. Die kleinste Kristalleinheit wird Zelle genannt. Wenn die Zelle eine kubische Struktur hat, spricht man von einer dicht gepackten kubischen Struktur, und wenn die Zelle eine hexagonale Struktur ist, spricht man von einer dicht gepackten hexagonalen Struktur.

Zu den gängigen SiC-Kristalltypen gehören 3C-SiC, 4H-SiC, 6H-SiC, 15R-SiC usw. Ihre Stapelreihenfolge in Richtung der c-Achse ist in der Abbildung dargestellt.

 

Unter diesen ist die grundlegende Stapelsequenz von 4H-SiC ABCB...; Die grundlegende Stapelfolge von 6H-SiC ist ABCACB... ; Die grundlegende Stapelfolge von 15R-SiC ist ABCACBCABACABCB... .

 

Dies kann als ein Ziegelstein zum Bau eines Hauses betrachtet werden. Bei manchen Hausziegeln gibt es drei Möglichkeiten, sie zu platzieren, bei anderen gibt es vier Möglichkeiten, sie zu platzieren, und bei einigen gibt es sechs Möglichkeiten, sie zu platzieren.
Die grundlegenden Zellparameter dieser gängigen SiC-Kristalltypen sind in der Tabelle aufgeführt:

Was bedeuten a, b, c und Winkel? Der Aufbau der kleinsten Elementarzelle in einem SiC-Halbleiter wird wie folgt beschrieben:

Im Falle derselben Zelle ist auch die Kristallstruktur unterschiedlich. Das ist, als würden wir im Lotto kaufen, die Gewinnzahl ist 1, 2, 3, Sie haben 1, 2, 3 drei Zahlen gekauft, aber wenn die Zahl sortiert ist Anders gesagt, der Gewinnbetrag ist unterschiedlich, sodass die Anzahl und die Reihenfolge desselben Kristalls als derselbe Kristall bezeichnet werden können.
Die folgende Abbildung zeigt die beiden typischen Stapelmodi, nur der Unterschied im Stapelmodus der oberen Atome, die Kristallstruktur ist unterschiedlich.

Die von SiC gebildete Kristallstruktur hängt stark von der Temperatur ab. Unter Einwirkung hoher Temperaturen von 1900 bis 2000 °C wandelt sich 3C-SiC aufgrund seiner geringen strukturellen Stabilität langsam in eine hexagonale SiC-Polyform wie 6H-SiC um. Gerade wegen der starken Korrelation zwischen der Wahrscheinlichkeit der Bildung von SiC-Polymorphen und der Temperatur sowie der Instabilität von 3C-SiC selbst ist es schwierig, die Wachstumsrate von 3C-SiC zu verbessern, und die Herstellung ist schwierig. Die hexagonalen Systeme 4H-SiC und 6H-SiC sind am häufigsten und am einfachsten herzustellen und werden aufgrund ihrer eigenen Eigenschaften umfassend untersucht.

 Die Bindungslänge der SI-C-Bindung im SiC-Kristall beträgt nur 1,89 A, aber die Bindungsenergie beträgt bis zu 4,53 eV. Daher ist die Energieniveaulücke zwischen dem Bindungszustand und dem Antibindungszustand sehr groß und es kann eine breite Bandlücke gebildet werden, die um ein Vielfaches größer ist als bei Si und GaAs. Die größere Bandlückenbreite bedeutet, dass die Hochtemperatur-Kristallstruktur stabil ist. Die zugehörige Leistungselektronik kann die Eigenschaften eines stabilen Betriebs bei hohen Temperaturen und einer vereinfachten Wärmeableitungsstruktur realisieren.

Durch die enge Bindung der Si-C-Bindung weist das Gitter eine hohe Schwingungsfrequenz auf, d höhere Schaltgeschwindigkeit und Zuverlässigkeit, wodurch das Risiko eines Geräteausfalls aufgrund von Übertemperatur verringert wird. Darüber hinaus ermöglicht die höhere Durchbruchfeldstärke von SiC höhere Dotierungskonzentrationen und einen geringeren Einschaltwiderstand.

 Zweitens die Geschichte der SiC-Kristallentwicklung

 Im Jahr 1905 entdeckte Dr. Henri Moissan im Krater einen natürlichen SiC-Kristall, der einem Diamanten ähnelte, und nannte ihn Mosan-Diamant.

 Tatsächlich gewann Acheson bereits 1885 SiC, indem er Koks mit Kieselsäure vermischte und in einem Elektroofen erhitzte. Damals verwechselten die Leute es mit einer Mischung aus Diamanten und nannten es Schmirgel.

 Im Jahr 1892 verbesserte Acheson den Syntheseprozess, er mischte Quarzsand, Koks, eine kleine Menge Holzspäne und NaCl und erhitzte es in einem Lichtbogenofen auf 2700℃ und erhielt erfolgreich schuppige SiC-Kristalle. Diese Methode zur Synthese von SiC-Kristallen ist als Acheson-Methode bekannt und immer noch die gängige Methode zur Herstellung von SiC-Schleifmitteln in der Industrie. Aufgrund der geringen Reinheit der synthetischen Rohstoffe und des groben Syntheseprozesses erzeugt die Acheson-Methode mehr SiC-Verunreinigungen, eine schlechte Kristallintegrität und einen kleinen Kristalldurchmesser, was es schwierig macht, die Anforderungen der Halbleiterindustrie an große Größe, hohe Reinheit und hohe Qualität zu erfüllen -Qualitätskristalle und können nicht zur Herstellung elektronischer Geräte verwendet werden.

 Lely vom Philips Laboratory schlug 1955 eine neue Methode zur Züchtung von SiC-Einkristallen vor. Bei dieser Methode wird ein Graphittiegel als Wachstumsgefäß, ein SiC-Pulverkristall als Rohmaterial für die Züchtung von SiC-Kristallen und poröser Graphit zur Isolierung verwendet ein Hohlraum aus der Mitte des wachsenden Rohmaterials. Beim Züchten wird der Graphittiegel unter einer Ar- oder H2-Atmosphäre auf 2500 °C erhitzt, und das periphere SiC-Pulver wird sublimiert und in Si- und C-Dampfphasensubstanzen zersetzt, und der SiC-Kristall wird im mittleren Hohlbereich nach dem Gas gezüchtet Die Strömung wird durch den porösen Graphit übertragen.

Drittens die SiC-Kristallwachstumstechnologie

Das Einkristallwachstum von SiC ist aufgrund seiner Eigenschaften schwierig. Dies ist hauptsächlich auf die Tatsache zurückzuführen, dass es bei Atmosphärendruck keine flüssige Phase mit einem stöchiometrischen Verhältnis von Si:C = 1:1 gibt und sie nicht mit den ausgereifteren Wachstumsmethoden gezüchtet werden kann, die im aktuellen Mainstream-Wachstumsprozess des Halbleiters verwendet werden Industrie – CZ-Methode, Falltiegelmethode und andere Methoden. Nach theoretischer Berechnung kann nur dann das stöchiometrische Verhältnis einer Si:C = 1:1-Lösung erhalten werden, wenn der Druck größer als 10E5atm und die Temperatur höher als 3200℃ ist. Um dieses Problem zu überwinden, haben Wissenschaftler unermüdliche Anstrengungen unternommen, verschiedene Methoden vorzuschlagen, um SiC-Kristalle mit hoher Kristallqualität, großer Größe und billigem Preis zu erhalten. Derzeit sind die Hauptmethoden das PVT-Verfahren, das Flüssigphasenverfahren und das chemische Hochtemperatur-Dampfabscheidungsverfahren.