O que é o crescimento de cristais de carboneto de silício?

Aproximando -se de sic | O princípio do crescimento de cristais de carboneto de silício

Na natureza, os cristais estão por toda parte, e sua distribuição e aplicação são muito extensas. E diferentes cristais têm diferentes estruturas, propriedades e métodos de preparação. Mas sua característica comum é que os átomos no cristal são organizados regularmente e a treliça com uma estrutura específica é então formada através de empilhamento periódico no espaço tridimensional. Portanto, a aparência de materiais de cristal geralmente apresenta uma forma geométrica regular.

O material de substrato de cristal único de carboneto de silício (a seguir denominado substrato SiC) também é um tipo de materiais cristalinos. Pertence a um amplo material semicondutor de banda de banda e tem as vantagens de resistência de alta tensão, resistência a alta temperatura, alta frequência, baixa perda, etc. É um material básico para preparar dispositivos eletrônicos de alta potência e dispositivos de RF de microondas.

A estrutura cristalina do sic

O SIC é um material semicondutor composto IV-IV composto de carbono e silício em uma proporção estequiométrica de 1: 1, e sua dureza é perdendo apenas para o diamante.

Os átomos de carbono e silício têm 4 elétrons de valência, que podem formar 4 ligações covalentes. A unidade estrutural básica do cristal sic, SiC tetraedro, surge da ligação tetraédrica entre os átomos de silício e carbono. O número de coordenação de átomos de silício e carbono é de 4, ou seja, cada átomo de carbono possui 4 átomos de silício e cada átomo de silício também possui 4 átomos de carbono ao seu redor.

Como material cristalino, o substrato SiC também possui a característica do empilhamento periódico de camadas atômicas. As camadas diatômicas Si-C são empilhadas ao longo da direção [0001]. Os polióticos comuns incluem 2H-SiC, 3C-SIC, 4H-SIC, 6H-SIC, 15R-SIC, etc. Entre eles, a sequência de empilhamento na ordem de "ABCB" é chamada de poliótico 4H. Embora diferentes poliatos do SiC tenham a mesma composição química, suas propriedades físicas, especialmente a largura da banda, a mobilidade do portador e outras características são bem diferentes. E as propriedades do 4H polytype são mais adequadas para aplicações de semicondutores.

2H-SIC

4H-SIC

6H-SIC

Os parâmetros de crescimento, como temperatura e pressão, influenciam significativamente a estabilidade da 4H-SIC durante o processo de crescimento. Portanto, para obter o material de cristal único com alta qualidade e uniformidade, os parâmetros como temperatura de crescimento, pressão de crescimento e taxa de crescimento devem ser controlados com precisão durante a preparação.

Método de preparação do sic: método de transporte de vapor físico (PVT)

Atualmente, os métodos de preparação do carboneto de silício são o método de transporte de vapor físico (PVT). Método de deposição de vapor químico de alta temperatura (HTCVD) e método de fase líquida (LPE). E a PVT é um método convencional adequado para a produção em massa industrial.

(a) Um esboço do método de crescimento da PVT para sic boules e 

(b) Visualização 2D do crescimento da PVT para imaginar os grandes detalhes sobre a morfologia e a interface e as condições de crescimento de cristais

Durante o crescimento da PVT, o cristal de semente de SiC é colocado na parte superior do cadinho, enquanto o material de origem (pó SiC) é colocado no fundo. Em um ambiente fechado com alta temperatura e baixa pressão, o SiC em pó sublimata e depois transporta para o espaço próximo à semente sob o efeito do gradiente de temperatura e da diferença de concentração. E ele recristalizará depois de atingir o estado supersaturado. Através deste método, o tamanho e o politilo do cristal SiC podem ser controlados.

No entanto, o método PVT requer manter as condições de crescimento apropriadas ao longo de todo o processo de crescimento, caso contrário, levará ao distúrbio da rede e formará defeitos indesejados. Além disso, o crescimento do cristal SiC é concluído em um espaço fechado com métodos limitados de monitoramento e muitas variáveis, portanto o controle do processo é difícil.

O principal mecanismo para cultivar um único cristal: crescimento do fluxo de etapas

No processo de cultivo de cristal SiC pelo método PVT, o crescimento do fluxo de etapas é considerado o principal mecanismo para formar cristais únicos. Os átomos vaporizados de Si e C se unirão preferencialmente aos átomos na superfície do cristal nas etapas e torções, onde eles nucleam e crescerão, para que cada etapa flua para a frente em paralelo. Quando a largura entre cada etapa na superfície do crescimento é muito maior que o caminho livre de difusão dos átomos adsorvidos, um grande número de átomos adsorvidos pode aglomerar e formar a ilha bidimensional, que destruirá o modo de crescimento do fluxo de etapas, resultando na formação de outros polióticos em vez de 4h. Portanto, o ajuste dos parâmetros do processo visa controlar a estrutura da etapa na superfície do crescimento, de modo a impedir a formação de polióticos indesejados e atingir o objetivo de obter uma estrutura cristalina única e finalmente preparar cristais de alta qualidade.

Crescimento do fluxo de etapas para um único cristal sic

O crescimento do cristal é apenas o primeiro passo para preparar substrato SiC de alta qualidade. Antes de serem usados, o lingote 4H-SiC precisa passar por uma série de processos como fatiamento, lapidação, chanfro, polimento, limpeza e inspeção. Como material duro, mas quebradiço, o SiC único cristal também possui altos requisitos técnicos para as etapas de torre. Qualquer dano gerado em cada processo pode ter certa hereditariedade, transferir para o próximo processo e, finalmente, afetar a qualidade do produto. Portanto, a tecnologia de torrefamento eficiente para o substrato SiC também atrai a atenção da indústria.