Premièrement, la structure et les propriétés du cristal SiC.
Le SiC est un composé binaire formé d'un élément Si et d'un élément C dans un rapport 1:1, soit 50 % de silicium (Si) et 50 % de carbone (C), et son unité structurelle de base est le tétraèdre SI-C.
Diagramme schématique de la structure du tétraèdre en carbure de silicium
Par exemple, les atomes de Si ont un grand diamètre, équivalent à une pomme, et les atomes de C ont un petit diamètre, équivalent à une orange, et un nombre égal d'oranges et de pommes sont empilés ensemble pour former un cristal de SiC.
Le SiC est un composé binaire, dans lequel l'espacement des atomes de la liaison Si-Si est de 3,89 A, comment comprendre cet espacement ? À l'heure actuelle, la machine de lithographie la plus excellente du marché a une précision de lithographie de 3 nm, soit une distance de 30 A, et la précision de lithographie est 8 fois supérieure à celle de la distance atomique.
L'énergie de liaison Si-Si est de 310 kJ/mol, vous pouvez donc comprendre que l'énergie de liaison est la force qui sépare ces deux atomes, et plus l'énergie de liaison est grande, plus la force dont vous avez besoin pour les séparer est grande.
Par exemple, les atomes de Si ont un grand diamètre, équivalent à une pomme, et les atomes de C ont un petit diamètre, équivalent à une orange, et un nombre égal d'oranges et de pommes sont empilés ensemble pour former un cristal de SiC.
Le SiC est un composé binaire, dans lequel l'espacement des atomes de la liaison Si-Si est de 3,89 A, comment comprendre cet espacement ? À l'heure actuelle, la machine de lithographie la plus excellente du marché a une précision de lithographie de 3 nm, soit une distance de 30 A, et la précision de lithographie est 8 fois supérieure à celle de la distance atomique.
L'énergie de liaison Si-Si est de 310 kJ/mol, vous pouvez donc comprendre que l'énergie de liaison est la force qui sépare ces deux atomes, et plus l'énergie de liaison est grande, plus la force dont vous avez besoin pour les séparer est grande.
Diagramme schématique de la structure du tétraèdre en carbure de silicium
Par exemple, les atomes de Si ont un grand diamètre, équivalent à une pomme, et les atomes de C ont un petit diamètre, équivalent à une orange, et un nombre égal d'oranges et de pommes sont empilés ensemble pour former un cristal de SiC.
Le SiC est un composé binaire, dans lequel l'espacement des atomes de la liaison Si-Si est de 3,89 A, comment comprendre cet espacement ? À l'heure actuelle, la machine de lithographie la plus excellente du marché a une précision de lithographie de 3 nm, soit une distance de 30 A, et la précision de lithographie est 8 fois supérieure à celle de la distance atomique.
L'énergie de liaison Si-Si est de 310 kJ/mol, vous pouvez donc comprendre que l'énergie de liaison est la force qui sépare ces deux atomes, et plus l'énergie de liaison est grande, plus la force dont vous avez besoin pour les séparer est grande.
Par exemple, les atomes de Si ont un grand diamètre, équivalent à une pomme, et les atomes de C ont un petit diamètre, équivalent à une orange, et un nombre égal d'oranges et de pommes sont empilés ensemble pour former un cristal de SiC.
Le SiC est un composé binaire, dans lequel l'espacement des atomes de la liaison Si-Si est de 3,89 A, comment comprendre cet espacement ? À l'heure actuelle, la machine de lithographie la plus excellente du marché a une précision de lithographie de 3 nm, soit une distance de 30 A, et la précision de lithographie est 8 fois supérieure à celle de la distance atomique.
L'énergie de liaison Si-Si est de 310 kJ/mol, vous pouvez donc comprendre que l'énergie de liaison est la force qui sépare ces deux atomes, et plus l'énergie de liaison est grande, plus la force dont vous avez besoin pour les séparer est grande.
Nous savons que toute substance est constituée d’atomes et que la structure d’un cristal est un arrangement régulier d’atomes, appelé ordre à longue portée, comme suit. La plus petite unité cristalline est appelée une cellule, si la cellule est une structure cubique, elle est appelée un cubique compact, et la cellule est une structure hexagonale, elle est appelée un hexagonal compact.
Les types de cristaux SiC courants incluent le 3C-SiC, le 4H-SiC, le 6H-SiC, le 15R-SiC, etc. Leur séquence d'empilement dans la direction de l'axe c est illustrée sur la figure.
Parmi eux, la séquence d'empilement de base du 4H-SiC est ABCB... ; La séquence d'empilement de base du 6H-SiC est ABCACB... ; La séquence d'empilement de base du 15R-SiC est ABCACBCABACABCB... .
Cela peut être considéré comme une brique pour construire une maison, certaines briques de la maison ont trois façons de les placer, certaines ont quatre façons de les placer, d'autres encore six.
Les paramètres de base des cellules de ces types de cristaux SiC courants sont indiqués dans le tableau :
Que signifient a, b, c et les angles ? La structure de la plus petite cellule unitaire d’un semi-conducteur SiC est décrite comme suit :
Dans le cas d'une même cellule, la structure cristalline sera également différente, c'est comme si nous achetions à la loterie, le numéro gagnant est 1, 2, 3, vous avez acheté 1, 2, 3 trois numéros, mais si le numéro est trié différemment, le montant gagnant est différent, donc le numéro et l'ordre du même cristal peuvent être appelés le même cristal.
La figure suivante montre les deux modes d'empilement typiques, seule la différence dans le mode d'empilement des atomes supérieurs, la structure cristalline est différente.
La structure cristalline formée par le SiC est fortement liée à la température. Sous l'action d'une température élevée de 1900 ~ 2000 ℃, le 3C-SiC se transformera lentement en un polyforme SiC hexagonal tel que le 6H-SiC en raison de sa faible stabilité structurelle. C'est précisément en raison de la forte corrélation entre la probabilité de formation de polymorphes de SiC et la température, et l'instabilité du 3C-SiC lui-même, que le taux de croissance du 3C-SiC est difficile à améliorer et que la préparation est difficile. Les systèmes hexagonaux de 4H-SiC et 6H-SiC sont les plus courants et les plus faciles à préparer, et sont largement étudiés en raison de leurs propres caractéristiques.
La longueur de liaison de la liaison SI-C dans le cristal SiC n'est que de 1,89 A, mais l'énergie de liaison peut atteindre 4,53 eV. Par conséquent, l'écart de niveau d'énergie entre l'état de liaison et l'état anti-liaison est très grand et une large bande interdite peut être formée, qui est plusieurs fois celle du Si et du GaAs. La largeur de bande interdite plus élevée signifie que la structure cristalline à haute température est stable. L'électronique de puissance associée peut réaliser les caractéristiques d'un fonctionnement stable à haute température et d'une structure de dissipation thermique simplifiée.
La liaison étroite de la liaison Si-C confère au réseau une fréquence de vibration élevée, c'est-à-dire un phonon à haute énergie, ce qui signifie que le cristal SiC a une mobilité électronique saturée et une conductivité thermique élevées, et que les dispositifs électroniques de puissance associés ont un vitesse de commutation et fiabilité plus élevées, ce qui réduit le risque de panne de surchauffe de l'appareil. De plus, l’intensité du champ de claquage plus élevée du SiC lui permet d’atteindre des concentrations de dopage plus élevées et d’avoir une résistance à l’état passant plus faible.
Deuxièmement, l'histoire du développement des cristaux SiC
En 1905, le Dr Henri Moissan découvrit dans le cratère un cristal naturel de SiC qui ressemblait à un diamant et le nomma diamant mosan.
En fait, dès 1885, Acheson obtenait du SiC en mélangeant du coke avec de la silice et en le chauffant dans un four électrique. À l’époque, on le confondait avec un mélange de diamants et on l’appelait émeri.
En 1892, Acheson a amélioré le processus de synthèse, il a mélangé du sable de quartz, du coke, une petite quantité de copeaux de bois et du NaCl, et l'a chauffé dans un four à arc électrique à 2 700 ℃, et a réussi à obtenir des cristaux de SiC squameux. Cette méthode de synthèse de cristaux de SiC est connue sous le nom de méthode Acheson et reste la méthode courante de production d'abrasifs SiC dans l'industrie. En raison de la faible pureté des matières premières synthétiques et du processus de synthèse grossier, la méthode Acheson produit plus d'impuretés SiC, une mauvaise intégrité des cristaux et un petit diamètre de cristal, ce qui est difficile à répondre aux exigences de l'industrie des semi-conducteurs pour des matériaux de grande taille, de haute pureté et de haute qualité. -cristaux de qualité, et ne peuvent pas être utilisés pour fabriquer des appareils électroniques.
Lely du laboratoire Philips a proposé une nouvelle méthode pour faire croître des monocristaux de SiC en 1955. Dans cette méthode, un creuset en graphite est utilisé comme récipient de croissance, un cristal de poudre de SiC est utilisé comme matière première pour la croissance de cristaux de SiC et du graphite poreux est utilisé pour isoler. une zone creuse à partir du centre de la matière première en croissance. Lors de la croissance, le creuset en graphite est chauffé à 2 500 ℃ sous l'atmosphère d'Ar ou de H2, et la poudre périphérique de SiC est sublimée et décomposée en substances en phase vapeur Si et C, et le cristal de SiC est cultivé dans la région creuse centrale après le gaz. le flux est transmis à travers le graphite poreux.
Troisièmement, la technologie de croissance cristalline SiC
La croissance monocristalline du SiC est difficile en raison de ses propres caractéristiques. Cela est principalement dû au fait qu'il n'existe pas de phase liquide avec un rapport stoechiométrique de Si : C = 1 : 1 à pression atmosphérique, et qu'elle ne peut pas être cultivée par les méthodes de croissance plus matures utilisées par le processus de croissance actuel du semi-conducteur. industrie - méthode cZ, méthode du creuset tombant et autres méthodes. Selon le calcul théorique, ce n'est que lorsque la pression est supérieure à 10E5atm et la température est supérieure à 3 200 ℃ que le rapport stoechiométrique de la solution Si : C = 1 : 1 peut être obtenu. Afin de surmonter ce problème, les scientifiques ont déployé des efforts inlassables pour proposer diverses méthodes permettant d’obtenir des cristaux de SiC de haute qualité, de grande taille et bon marché. À l'heure actuelle, les principales méthodes sont la méthode PVT, la méthode en phase liquide et la méthode de dépôt chimique en phase vapeur à haute température.
Heure de publication : 24 janvier 2024