సిలికాన్ కార్బైడ్ (Ⅰ) నిర్మాణం మరియు వృద్ధి సాంకేతికత

మొదట, SiC క్రిస్టల్ యొక్క నిర్మాణం మరియు లక్షణాలు.

SiC అనేది Si మూలకం మరియు C మూలకం ద్వారా 1:1 నిష్పత్తిలో ఏర్పడిన బైనరీ సమ్మేళనం, అంటే 50% సిలికాన్ (Si) మరియు 50% కార్బన్ (C), మరియు దాని ప్రాథమిక నిర్మాణ యూనిట్ SI-C టెట్రాహెడ్రాన్.

సిలికాన్ కార్బైడ్ టెట్రాహెడ్రాన్ నిర్మాణం యొక్క స్కీమాటిక్ రేఖాచిత్రం

 ఉదాహరణకు, Si పరమాణువులు యాపిల్‌కి సమానమైన వ్యాసంలో పెద్దవి మరియు C అణువులు నారింజకు సమానమైన వ్యాసంలో చిన్నవి, మరియు సమాన సంఖ్యలో నారింజలు మరియు ఆపిల్‌లు ఒక SiC క్రిస్టల్‌ను ఏర్పరచడానికి ఒకదానితో ఒకటి పోగు చేయబడతాయి.

SiC అనేది బైనరీ సమ్మేళనం, దీనిలో Si-Si బాండ్ అణువు అంతరం 3.89 A, ఈ అంతరాన్ని ఎలా అర్థం చేసుకోవాలి? ప్రస్తుతం, మార్కెట్‌లోని అత్యంత అద్భుతమైన లితోగ్రఫీ యంత్రం 3nm యొక్క లితోగ్రఫీ ఖచ్చితత్వాన్ని కలిగి ఉంది, ఇది 30A దూరం, మరియు లితోగ్రఫీ ఖచ్చితత్వం పరమాణు దూరం కంటే 8 రెట్లు ఎక్కువ.

Si-Si బాండ్ శక్తి 310 kJ/mol, కాబట్టి మీరు బంధం శక్తి ఈ రెండు పరమాణువులను విడదీసే శక్తి అని అర్థం చేసుకోవచ్చు మరియు ఎక్కువ బంధం శక్తి, మీరు విడదీయవలసిన శక్తి ఎక్కువ.

 ఉదాహరణకు, Si పరమాణువులు యాపిల్‌కి సమానమైన వ్యాసంలో పెద్దవి మరియు C అణువులు నారింజకు సమానమైన వ్యాసంలో చిన్నవి, మరియు సమాన సంఖ్యలో నారింజలు మరియు ఆపిల్‌లు ఒక SiC క్రిస్టల్‌ను ఏర్పరచడానికి ఒకదానితో ఒకటి పోగు చేయబడతాయి.

SiC అనేది బైనరీ సమ్మేళనం, దీనిలో Si-Si బాండ్ అణువు అంతరం 3.89 A, ఈ అంతరాన్ని ఎలా అర్థం చేసుకోవాలి? ప్రస్తుతం, మార్కెట్‌లోని అత్యంత అద్భుతమైన లితోగ్రఫీ యంత్రం 3nm యొక్క లితోగ్రఫీ ఖచ్చితత్వాన్ని కలిగి ఉంది, ఇది 30A దూరం, మరియు లితోగ్రఫీ ఖచ్చితత్వం పరమాణు దూరం కంటే 8 రెట్లు ఎక్కువ.

Si-Si బాండ్ శక్తి 310 kJ/mol, కాబట్టి మీరు బంధం శక్తి ఈ రెండు పరమాణువులను విడదీసే శక్తి అని అర్థం చేసుకోవచ్చు మరియు ఎక్కువ బంధం శక్తి, మీరు విడదీయవలసిన శక్తి ఎక్కువ.

సిలికాన్ కార్బైడ్ టెట్రాహెడ్రాన్ నిర్మాణం యొక్క స్కీమాటిక్ రేఖాచిత్రం

 ఉదాహరణకు, Si పరమాణువులు యాపిల్‌కి సమానమైన వ్యాసంలో పెద్దవి మరియు C అణువులు నారింజకు సమానమైన వ్యాసంలో చిన్నవి, మరియు సమాన సంఖ్యలో నారింజలు మరియు ఆపిల్‌లు ఒక SiC క్రిస్టల్‌ను ఏర్పరచడానికి ఒకదానితో ఒకటి పోగు చేయబడతాయి.

SiC అనేది బైనరీ సమ్మేళనం, దీనిలో Si-Si బాండ్ అణువు అంతరం 3.89 A, ఈ అంతరాన్ని ఎలా అర్థం చేసుకోవాలి? ప్రస్తుతం, మార్కెట్‌లోని అత్యంత అద్భుతమైన లితోగ్రఫీ యంత్రం 3nm యొక్క లితోగ్రఫీ ఖచ్చితత్వాన్ని కలిగి ఉంది, ఇది 30A దూరం, మరియు లితోగ్రఫీ ఖచ్చితత్వం పరమాణు దూరం కంటే 8 రెట్లు ఎక్కువ.

Si-Si బాండ్ శక్తి 310 kJ/mol, కాబట్టి మీరు బంధం శక్తి ఈ రెండు పరమాణువులను విడదీసే శక్తి అని అర్థం చేసుకోవచ్చు మరియు ఎక్కువ బంధం శక్తి, మీరు విడదీయవలసిన శక్తి ఎక్కువ.

 ఉదాహరణకు, Si పరమాణువులు యాపిల్‌కి సమానమైన వ్యాసంలో పెద్దవి మరియు C అణువులు నారింజకు సమానమైన వ్యాసంలో చిన్నవి, మరియు సమాన సంఖ్యలో నారింజలు మరియు ఆపిల్‌లు ఒక SiC క్రిస్టల్‌ను ఏర్పరచడానికి ఒకదానితో ఒకటి పోగు చేయబడతాయి.

SiC అనేది బైనరీ సమ్మేళనం, దీనిలో Si-Si బాండ్ అణువు అంతరం 3.89 A, ఈ అంతరాన్ని ఎలా అర్థం చేసుకోవాలి? ప్రస్తుతం, మార్కెట్‌లోని అత్యంత అద్భుతమైన లితోగ్రఫీ యంత్రం 3nm యొక్క లితోగ్రఫీ ఖచ్చితత్వాన్ని కలిగి ఉంది, ఇది 30A దూరం, మరియు లితోగ్రఫీ ఖచ్చితత్వం పరమాణు దూరం కంటే 8 రెట్లు ఎక్కువ.

Si-Si బాండ్ శక్తి 310 kJ/mol, కాబట్టి మీరు బంధం శక్తి ఈ రెండు పరమాణువులను విడదీసే శక్తి అని అర్థం చేసుకోవచ్చు మరియు ఎక్కువ బంధం శక్తి, మీరు విడదీయవలసిన శక్తి ఎక్కువ.

ప్రతి పదార్ధం పరమాణువులతో నిర్మితమైందని మరియు స్ఫటికం యొక్క నిర్మాణం పరమాణువుల యొక్క క్రమమైన అమరిక అని మనకు తెలుసు, దీనిని క్రింది విధంగా దీర్ఘ-శ్రేణి క్రమం అని పిలుస్తారు. అతి చిన్న స్ఫటిక యూనిట్‌ను సెల్ అని పిలుస్తారు, సెల్ ఒక క్యూబిక్ స్ట్రక్చర్ అయితే, దానిని క్లోజ్-ప్యాక్డ్ క్యూబిక్ అని మరియు సెల్ షట్కోణ నిర్మాణం అని పిలుస్తారు, దీనిని క్లోజ్-ప్యాక్డ్ షట్కోణ అంటారు.

సాధారణ SiC క్రిస్టల్ రకాలు 3C-SiC, 4H-SiC, 6H-SiC, 15R-SiC, మొదలైనవి. c అక్షం దిశలో వాటి స్టాకింగ్ క్రమం చిత్రంలో చూపబడింది.

 

వాటిలో, 4H-SiC యొక్క ప్రాథమిక స్టాకింగ్ సీక్వెన్స్ ABCB... ; 6H-SiC యొక్క ప్రాథమిక స్టాకింగ్ సీక్వెన్స్ ABCACB... ; 15R-SiC యొక్క ప్రాథమిక స్టాకింగ్ సీక్వెన్స్ ABCACBCABACABCB... .

 

ఇది ఇల్లు కట్టడానికి ఒక ఇటుకగా చూడవచ్చు, కొన్ని ఇంటి ఇటుకలను ఉంచడానికి మూడు మార్గాలు ఉన్నాయి, కొన్ని వాటిని ఉంచడానికి నాలుగు రకాలుగా ఉంటాయి, కొన్నింటికి ఆరు రకాలుగా ఉంటాయి.
ఈ సాధారణ SiC క్రిస్టల్ రకాల ప్రాథమిక సెల్ పారామితులు పట్టికలో చూపబడ్డాయి:

a, b, c మరియు కోణాల అర్థం ఏమిటి? SiC సెమీకండక్టర్‌లోని అతి చిన్న యూనిట్ సెల్ నిర్మాణం క్రింది విధంగా వివరించబడింది:

అదే సెల్ విషయంలో, క్రిస్టల్ నిర్మాణం కూడా భిన్నంగా ఉంటుంది, ఇది మనం లాటరీని కొనుగోలు చేసినట్లుగా ఉంటుంది, విజేత సంఖ్య 1, 2, 3, మీరు 1, 2, 3 మూడు నంబర్‌లను కొనుగోలు చేసారు, కానీ నంబర్ క్రమబద్ధీకరించబడితే విభిన్నంగా, గెలిచిన మొత్తం భిన్నంగా ఉంటుంది, కాబట్టి అదే క్రిస్టల్ యొక్క సంఖ్య మరియు క్రమాన్ని ఒకే క్రిస్టల్ అని పిలుస్తారు.
కింది బొమ్మ రెండు విలక్షణమైన స్టాకింగ్ మోడ్‌లను చూపుతుంది, ఎగువ అణువుల స్టాకింగ్ మోడ్‌లో తేడా మాత్రమే, క్రిస్టల్ నిర్మాణం భిన్నంగా ఉంటుంది.

SiC ద్వారా ఏర్పడిన క్రిస్టల్ నిర్మాణం ఉష్ణోగ్రతతో బలంగా సంబంధం కలిగి ఉంటుంది. 1900~2000 ℃ అధిక ఉష్ణోగ్రత ప్రభావంతో, 3C-SiC దాని నిర్మాణ స్థిరత్వం కారణంగా నెమ్మదిగా 6H-SiC వంటి షట్కోణ SiC పాలీఫార్మ్‌గా రూపాంతరం చెందుతుంది. ఇది ఖచ్చితంగా SiC పాలిమార్ఫ్‌లు మరియు ఉష్ణోగ్రత ఏర్పడే సంభావ్యత మరియు 3C-SiC యొక్క అస్థిరత మధ్య బలమైన సహసంబంధం కారణంగా, 3C-SiC వృద్ధి రేటును మెరుగుపరచడం కష్టం మరియు తయారీ కష్టం. 4H-SiC మరియు 6H-SiC యొక్క షట్కోణ వ్యవస్థ అత్యంత సాధారణమైనది మరియు సిద్ధం చేయడం సులభం, మరియు వాటి స్వంత లక్షణాల కారణంగా విస్తృతంగా అధ్యయనం చేయబడ్డాయి.

 SiC క్రిస్టల్‌లో SI-C బాండ్ యొక్క బాండ్ పొడవు 1.89A మాత్రమే, కానీ బైండింగ్ శక్తి 4.53eV వరకు ఉంటుంది. అందువల్ల, బంధ స్థితి మరియు యాంటీ-బంధన స్థితి మధ్య శక్తి స్థాయి అంతరం చాలా పెద్దది మరియు విస్తృత బ్యాండ్ గ్యాప్ ఏర్పడవచ్చు, ఇది Si మరియు GaAల కంటే చాలా రెట్లు ఎక్కువ. అధిక బ్యాండ్ గ్యాప్ వెడల్పు అంటే అధిక-ఉష్ణోగ్రత క్రిస్టల్ నిర్మాణం స్థిరంగా ఉంటుంది. అనుబంధిత పవర్ ఎలక్ట్రానిక్స్ అధిక ఉష్ణోగ్రతల వద్ద స్థిరమైన ఆపరేషన్ యొక్క లక్షణాలను మరియు సరళీకృత ఉష్ణ వెదజల్లే నిర్మాణాన్ని గ్రహించగలదు.

Si-C బంధం యొక్క గట్టి బైండింగ్ లాటిస్‌కు అధిక వైబ్రేషన్ ఫ్రీక్వెన్సీని కలిగి ఉంటుంది, అనగా అధిక శక్తి ఫోనాన్, అంటే SiC క్రిస్టల్ అధిక సంతృప్త ఎలక్ట్రాన్ మొబిలిటీ మరియు థర్మల్ కండక్టివిటీని కలిగి ఉంటుంది మరియు సంబంధిత పవర్ ఎలక్ట్రానిక్ పరికరాలు అధిక స్విచ్చింగ్ వేగం మరియు విశ్వసనీయత, ఇది పరికరం అధిక ఉష్ణోగ్రత వైఫల్యం ప్రమాదాన్ని తగ్గిస్తుంది. అదనంగా, SiC యొక్క అధిక బ్రేక్‌డౌన్ ఫీల్డ్ బలం అధిక డోపింగ్ సాంద్రతలను సాధించడానికి మరియు తక్కువ ఆన్-రెసిస్టెన్స్‌ని కలిగి ఉండటానికి అనుమతిస్తుంది.

 రెండవది, SiC క్రిస్టల్ అభివృద్ధి చరిత్ర

 1905లో, డా. హెన్రీ మోయిసాన్ బిలంలోని సహజమైన SiC క్రిస్టల్‌ను కనుగొన్నాడు, దానికి అతను వజ్రాన్ని పోలి ఉన్నాడని గుర్తించి దానికి మోసాన్ డైమండ్ అని పేరు పెట్టాడు.

 వాస్తవానికి, 1885లోనే, అచెసన్ కోక్‌ను సిలికాతో కలిపి విద్యుత్ కొలిమిలో వేడి చేయడం ద్వారా SiCని పొందాడు. ఆ సమయంలో, ప్రజలు దీనిని వజ్రాల మిశ్రమంగా తప్పుగా భావించి దానిని ఎమెరీ అని పిలిచేవారు.

 1892లో, అచెసన్ సంశ్లేషణ ప్రక్రియను మెరుగుపరిచాడు, అతను క్వార్ట్జ్ ఇసుక, కోక్, కొద్ది మొత్తంలో కలప చిప్స్ మరియు NaCl లను కలిపి, ఎలక్ట్రిక్ ఆర్క్ ఫర్నేస్‌లో 2700℃ వరకు వేడి చేసి, విజయవంతంగా స్కేలీ SiC స్ఫటికాలను పొందాడు. SiC స్ఫటికాలను సంశ్లేషణ చేసే ఈ పద్ధతిని అచెసన్ పద్ధతిగా పిలుస్తారు మరియు ఇప్పటికీ పరిశ్రమలో SiC అబ్రాసివ్‌లను ఉత్పత్తి చేసే ప్రధాన స్రవంతి పద్ధతి. సింథటిక్ ముడి పదార్ధాల తక్కువ స్వచ్ఛత మరియు కఠినమైన సంశ్లేషణ ప్రక్రియ కారణంగా, అచెసన్ పద్ధతి ఎక్కువ SiC మలినాలను, పేలవమైన క్రిస్టల్ సమగ్రతను మరియు చిన్న క్రిస్టల్ వ్యాసాన్ని ఉత్పత్తి చేస్తుంది, ఇది పెద్ద-పరిమాణం, అధిక-స్వచ్ఛత మరియు అధిక కోసం సెమీకండక్టర్ పరిశ్రమ అవసరాలను తీర్చడం కష్టం. -నాణ్యమైన స్ఫటికాలు మరియు ఎలక్ట్రానిక్ పరికరాల తయారీకి ఉపయోగించబడవు.

 ఫిలిప్స్ లాబొరేటరీకి చెందిన లేలీ 1955లో SiC సింగిల్ స్ఫటికాలను పెంచడానికి కొత్త పద్ధతిని ప్రతిపాదించారు. ఈ పద్ధతిలో, గ్రాఫైట్ క్రూసిబుల్‌ను వృద్ధి పాత్రగా ఉపయోగిస్తారు, SiC పౌడర్ క్రిస్టల్‌ను SiC క్రిస్టల్‌ను పెంచడానికి ముడి పదార్థంగా ఉపయోగిస్తారు మరియు పోరస్ గ్రాఫైట్‌ను వేరుచేయడానికి ఉపయోగిస్తారు. పెరుగుతున్న ముడి పదార్థం మధ్యలో నుండి ఖాళీ ప్రాంతం. పెరుగుతున్నప్పుడు, గ్రాఫైట్ క్రూసిబుల్ Ar లేదా H2 వాతావరణంలో 2500℃ వరకు వేడి చేయబడుతుంది మరియు పరిధీయ SiC పౌడర్ ఉత్కృష్టమై Si మరియు C ఆవిరి దశ పదార్థాలుగా కుళ్ళిపోతుంది మరియు SiC క్రిస్టల్ గ్యాస్ తర్వాత మధ్య బోలు ప్రాంతంలో పెరుగుతుంది. పోరస్ గ్రాఫైట్ ద్వారా ప్రవాహం ప్రసారం చేయబడుతుంది.

మూడవది, SiC క్రిస్టల్ గ్రోత్ టెక్నాలజీ

SiC యొక్క సింగిల్ క్రిస్టల్ పెరుగుదల దాని స్వంత లక్షణాల కారణంగా కష్టం. వాతావరణ పీడనం వద్ద Si: C = 1:1 యొక్క స్టోయికియోమెట్రిక్ నిష్పత్తితో ద్రవ దశ ఏదీ లేకపోవడమే దీనికి ప్రధాన కారణం మరియు సెమీకండక్టర్ యొక్క ప్రస్తుత ప్రధాన స్రవంతి వృద్ధి ప్రక్రియ ద్వారా ఉపయోగించే మరింత పరిణతి చెందిన వృద్ధి పద్ధతుల ద్వారా దీనిని పెంచడం సాధ్యం కాదు. పరిశ్రమ - cZ పద్ధతి, ఫాలింగ్ క్రూసిబుల్ పద్ధతి మరియు ఇతర పద్ధతులు. సైద్ధాంతిక గణన ప్రకారం, పీడనం 10E5atm కంటే ఎక్కువగా ఉన్నప్పుడు మరియు ఉష్ణోగ్రత 3200℃ కంటే ఎక్కువగా ఉన్నప్పుడు మాత్రమే, Si: C = 1:1 ద్రావణం యొక్క స్టోయికియోమెట్రిక్ నిష్పత్తిని పొందవచ్చు. ఈ సమస్యను అధిగమించడానికి, శాస్త్రవేత్తలు అధిక క్రిస్టల్ నాణ్యత, పెద్ద పరిమాణం మరియు చౌకైన SiC స్ఫటికాలను పొందేందుకు వివిధ పద్ధతులను ప్రతిపాదించడానికి అవిశ్రాంతంగా ప్రయత్నాలు చేశారు. ప్రస్తుతం, ప్రధాన పద్ధతులు PVT పద్ధతి, ద్రవ దశ పద్ధతి మరియు అధిక ఉష్ణోగ్రత ఆవిరి రసాయన నిక్షేపణ పద్ధతి.