Đầu tiên, cấu trúc và tính chất của tinh thể SiC.
SiC là hợp chất nhị phân được hình thành bởi nguyên tố Si và nguyên tố C theo tỷ lệ 1: 1, nghĩa là 50% silicon (Si) và 50% carbon (C), và đơn vị cấu trúc cơ bản của nó là tứ diện SI-C.
Sơ đồ cấu trúc tứ diện cacbua silic
Ví dụ, nguyên tử Si có đường kính lớn, tương đương với một quả táo và nguyên tử C có đường kính nhỏ, tương đương với một quả cam, và số lượng cam và táo bằng nhau được xếp chồng lên nhau tạo thành tinh thể SiC.
SiC là một hợp chất nhị phân, trong đó khoảng cách nguyên tử liên kết Si-Si là 3,89 A, hiểu khoảng cách này như thế nào?Hiện nay, máy in thạch bản xuất sắc nhất trên thị trường có độ chính xác in thạch bản là 3nm, tức là khoảng cách 30A, độ chính xác in thạch bản gấp 8 lần khoảng cách nguyên tử.
Năng lượng liên kết Si-Si là 310 kJ/mol nên bạn có thể hiểu năng lượng liên kết là lực kéo hai nguyên tử này ra xa nhau, và năng lượng liên kết càng lớn thì lực cần kéo ra càng lớn.
Ví dụ, nguyên tử Si có đường kính lớn, tương đương với một quả táo và nguyên tử C có đường kính nhỏ, tương đương với một quả cam, và số lượng cam và táo bằng nhau được xếp chồng lên nhau tạo thành tinh thể SiC.
SiC là một hợp chất nhị phân, trong đó khoảng cách nguyên tử liên kết Si-Si là 3,89 A, hiểu khoảng cách này như thế nào?Hiện nay, máy in thạch bản xuất sắc nhất trên thị trường có độ chính xác in thạch bản là 3nm, tức là khoảng cách 30A, độ chính xác in thạch bản gấp 8 lần khoảng cách nguyên tử.
Năng lượng liên kết Si-Si là 310 kJ/mol nên bạn có thể hiểu năng lượng liên kết là lực kéo hai nguyên tử này ra xa nhau, và năng lượng liên kết càng lớn thì lực cần kéo ra càng lớn.
Sơ đồ cấu trúc tứ diện cacbua silic
Ví dụ, nguyên tử Si có đường kính lớn, tương đương với một quả táo và nguyên tử C có đường kính nhỏ, tương đương với một quả cam, và số lượng cam và táo bằng nhau được xếp chồng lên nhau tạo thành tinh thể SiC.
SiC là một hợp chất nhị phân, trong đó khoảng cách nguyên tử liên kết Si-Si là 3,89 A, hiểu khoảng cách này như thế nào?Hiện nay, máy in thạch bản xuất sắc nhất trên thị trường có độ chính xác in thạch bản là 3nm, tức là khoảng cách 30A, độ chính xác in thạch bản gấp 8 lần khoảng cách nguyên tử.
Năng lượng liên kết Si-Si là 310 kJ/mol nên bạn có thể hiểu năng lượng liên kết là lực kéo hai nguyên tử này ra xa nhau, và năng lượng liên kết càng lớn thì lực cần kéo ra càng lớn.
Ví dụ, nguyên tử Si có đường kính lớn, tương đương với một quả táo và nguyên tử C có đường kính nhỏ, tương đương với một quả cam, và số lượng cam và táo bằng nhau được xếp chồng lên nhau tạo thành tinh thể SiC.
SiC là một hợp chất nhị phân, trong đó khoảng cách nguyên tử liên kết Si-Si là 3,89 A, hiểu khoảng cách này như thế nào?Hiện nay, máy in thạch bản xuất sắc nhất trên thị trường có độ chính xác in thạch bản là 3nm, tức là khoảng cách 30A, độ chính xác in thạch bản gấp 8 lần khoảng cách nguyên tử.
Năng lượng liên kết Si-Si là 310 kJ/mol nên bạn có thể hiểu năng lượng liên kết là lực kéo hai nguyên tử này ra xa nhau, và năng lượng liên kết càng lớn thì lực cần kéo ra càng lớn.
Chúng ta biết rằng mọi chất đều được tạo thành từ các nguyên tử và cấu trúc của tinh thể là sự sắp xếp đều đặn của các nguyên tử, gọi là trật tự tầm xa, như sau.Đơn vị tinh thể nhỏ nhất gọi là ô, nếu ô có cấu trúc lập phương thì gọi là lập phương đóng kín, còn ô có cấu trúc lục giác thì gọi là lục giác đóng kín.
Các loại tinh thể SiC phổ biến bao gồm 3C-SiC, 4H-SiC, 6H-SiC, 15R-SiC, v.v. Trình tự xếp chồng của chúng theo hướng trục c được thể hiện trong hình.
Trong số đó, trình tự xếp chồng cơ bản của 4H-SiC là ABCB... ;Trình tự sắp xếp cơ bản của 6H-SiC là ABCACB... ;Trình tự xếp chồng cơ bản của 15R-SiC là ABCACBCABACABCB... .
Đây có thể coi là viên gạch để xây nhà, một số viên gạch xây nhà có ba cách đặt, một số có bốn cách đặt, một số có sáu cách.
Các thông số tế bào cơ bản của các loại tinh thể SiC phổ biến này được thể hiện trong bảng:
a, b, c và các góc có ý nghĩa gì?Cấu trúc của ô đơn vị nhỏ nhất trong chất bán dẫn SiC được mô tả như sau:
Trong trường hợp cùng một ô thì cấu trúc tinh thể cũng sẽ khác nhau, việc này giống như chúng ta mua xổ số, số trúng là 1, 2, 3 thì bạn mua 1, 2, 3 ba số nhưng nếu số đó được sắp xếp khác nhau, số tiền thắng cũng khác nhau nên số lượng và thứ tự của cùng một viên pha lê có thể gọi là cùng một viên pha lê.
Hình dưới đây cho thấy hai chế độ xếp chồng điển hình, chỉ có sự khác biệt về chế độ xếp chồng của các nguyên tử phía trên, cấu trúc tinh thể là khác nhau.
Cấu trúc tinh thể được hình thành bởi SiC có liên quan chặt chẽ đến nhiệt độ.Dưới tác dụng của nhiệt độ cao 1900 ~ 2000oC, 3C-SiC sẽ dần dần biến thành dạng đa dạng SiC lục giác như 6H-SiC vì độ ổn định cấu trúc kém.Chính vì mối tương quan chặt chẽ giữa xác suất hình thành các dạng đa hình SiC và nhiệt độ cũng như tính không ổn định của bản thân 3C-SiC nên tốc độ tăng trưởng của 3C-SiC rất khó cải thiện và việc chuẩn bị rất khó khăn.Hệ thống lục giác của 4H-SiC và 6H-SiC là phổ biến nhất và dễ chế tạo hơn và được nghiên cứu rộng rãi do đặc điểm riêng của chúng.
Độ dài liên kết của liên kết SI-C trong tinh thể SiC chỉ là 1,89A, nhưng năng lượng liên kết cao tới 4,53eV.Do đó, khoảng cách mức năng lượng giữa trạng thái liên kết và trạng thái chống liên kết là rất lớn và có thể hình thành khoảng cách dải rộng, gấp nhiều lần so với Si và GaAs.Độ rộng khoảng cách dải cao hơn có nghĩa là cấu trúc tinh thể ở nhiệt độ cao ổn định.Các thiết bị điện tử công suất liên quan có thể nhận ra các đặc tính hoạt động ổn định ở nhiệt độ cao và cấu trúc tản nhiệt đơn giản.
Sự liên kết chặt chẽ của liên kết Si-C làm cho mạng có tần số dao động cao, nghĩa là phonon năng lượng cao, có nghĩa là tinh thể SiC có độ linh động điện tử bão hòa và độ dẫn nhiệt cao, và các thiết bị điện tử công suất liên quan có tốc độ chuyển mạch và độ tin cậy cao hơn, giúp giảm nguy cơ hỏng thiết bị do quá nhiệt.Ngoài ra, cường độ trường đánh thủng cao hơn của SiC cho phép nó đạt được nồng độ pha tạp cao hơn và có khả năng chống chịu thấp hơn.
Thứ hai, lịch sử phát triển tinh thể SiC
Năm 1905, Tiến sĩ Henri Moissan phát hiện ra một tinh thể SiC tự nhiên trong miệng núi lửa, ông thấy nó giống một viên kim cương và đặt tên là kim cương Mosan.
Trên thực tế, ngay từ năm 1885, Acheson đã thu được SiC bằng cách trộn than cốc với silica và nung nó trong lò điện.Vào thời điểm đó, người ta nhầm nó với hỗn hợp kim cương và gọi nó là đá nhám.
Năm 1892, Acheson đã cải tiến quy trình tổng hợp, ông trộn cát thạch anh, than cốc, một lượng nhỏ dăm gỗ và NaCl, rồi nung nó trong lò hồ quang điện đến 2700oC và thu được thành công tinh thể SiC có vảy.Phương pháp tổng hợp tinh thể SiC này được gọi là phương pháp Acheson và vẫn là phương pháp chủ đạo để sản xuất vật liệu mài mòn SiC trong công nghiệp.Do độ tinh khiết của nguyên liệu thô tổng hợp thấp và quá trình tổng hợp thô, phương pháp Acheson tạo ra nhiều tạp chất SiC hơn, tính toàn vẹn tinh thể kém và đường kính tinh thể nhỏ, khó đáp ứng yêu cầu của ngành bán dẫn về kích thước lớn, độ tinh khiết cao và độ tinh thể cao. - Tinh thể có chất lượng cao và không thể dùng để sản xuất các thiết bị điện tử.
Lely của Phòng thí nghiệm Philips đã đề xuất một phương pháp mới để nuôi cấy các tinh thể đơn SiC vào năm 1955. Trong phương pháp này, nồi nấu kim loại bằng than chì được sử dụng làm bình tăng trưởng, tinh thể bột SiC được sử dụng làm nguyên liệu thô để nuôi cấy tinh thể SiC và than chì xốp được sử dụng để cô lập. một khu vực rỗng từ trung tâm của nguyên liệu thô đang phát triển.Khi phát triển, nồi nấu kim loại được nung nóng đến 2500oC trong môi trường khí Ar hoặc H2, và bột SiC ngoại vi được thăng hoa và phân hủy thành các chất pha hơi Si và C, và tinh thể SiC được phát triển ở vùng rỗng giữa sau khí. dòng chảy được truyền qua than chì xốp.
Thứ ba, công nghệ tăng trưởng tinh thể SiC
Sự phát triển đơn tinh thể của SiC rất khó khăn do đặc điểm riêng của nó.Điều này chủ yếu là do thực tế là không có pha lỏng có tỷ lệ cân bằng hóa học Si: C = 1:1 ở áp suất khí quyển và nó không thể phát triển bằng các phương pháp tăng trưởng trưởng thành hơn được sử dụng trong quá trình tăng trưởng chủ đạo hiện nay của chất bán dẫn. công nghiệp - phương pháp cZ, phương pháp nồi nấu kim loại rơi và các phương pháp khác.Theo tính toán lý thuyết, chỉ khi áp suất lớn hơn 10E5atm và nhiệt độ cao hơn 3200oC thì mới có thể thu được tỷ lệ cân bằng hóa học của dung dịch Si: C = 1: 1.Để khắc phục vấn đề này, các nhà khoa học đã không ngừng nỗ lực đề xuất nhiều phương pháp khác nhau để thu được tinh thể SiC chất lượng cao, kích thước lớn và giá thành rẻ.Hiện nay, các phương pháp chính là phương pháp PVT, phương pháp pha lỏng và phương pháp lắng đọng hóa học hơi ở nhiệt độ cao.
Thời gian đăng: Jan-24-2024