Явление политипизма и методы получения различных политипов в SiC
Санкт-Петербургский государственный политехнический университет
Кафедра физики полупроводников и наноэлектроники
Реферат
Дисциплина: Материалы и компоненты электронной техники
Тема: Явление политипизма и методы получения различных
политипов в SiC
Выполнил студент гр. 3096/1
А.Н.Гордиенко
Руководитель, доцент
Т.А.Гаврикова
"___"_______________ 2003 г.
Санкт-Петербург
2003
Основные моменты и явление политипизма
Перед тем как сформулировать что такое политипизм, необходимо кратко
напомнить некоторые теоретические основы, предшествующие этому явлению. Как
известно, в некоторых случаях атомы можно с некоторой степенью приближения
представлять как несжимаемые сферы фиксированного радиуса. Разумеется, у
каждого атома свой радиус. Этот радиус складывается из нескольких
составляющих: количество протонов и нейтронов в ядре, количество
электронных оболочек, занятых электронами, и возможно ещё какие-то другие
составляющие. Рассматриваемые в таком представлении атомы будут
укладываться в кристалле как можно плотнее, соприкасаясь поверхностями
своих сфер. Таким образом образуются плотнейшие упаковки (ПУ). В
зависимости от своей химико-физической природы, атомы могут образовывать
различные структуры. При образовании кристалла атом может присоединить к
себе несколько других, не обязательно себе подобных. Максимальное
количество соседей вокруг одного атома называется координационным числом.
По этому числу можно определить какая структура образованна в кристалле.
|к.ч. |3 |4 |6 |8 |
|структура |равносторонний|тетраэдр |октаэдр |куб |
| |треугольник | | | |
Рассматривая ПУ послойно, обнаруживается, что соседние слои могут
отличаться друг от друга, а также наблюдается периодичность групп слоёв. В
зависимости от количества слоёв в одном периоде, ПУ делят на двух-, трёх-,
четырёх- (и т.д.) слойные. Трёхслойные ПУ имеют кубическую структуру
(например ГЦК решётка), а все остальные – гексагональную. Кубическая
структура называется сфалеритом (S), а гексагональная – вюрцитом (W).
Некоторые соединения могут образовывать различные структуры. Например, ZnS
имеет две модификации – вюрцит и сфалерит. На основании вышеизложенного уже
можно сформулировать определение того, что такое политипизм.
Политипизм – это способность образовывать различные ПУ.
Политипизм приводит к тому, что у кристаллов одного и того же
химического состава наблюдаются вполне ощутимые различия различных
физических параметров: количество основных и неосновных носителей заряда,
ширина запрещённой зоны и т.д.
Политипизм в SiC
SiC является одним из представителей соединений, обладающих
политипизмом. У этого соединения существует более 40 вариантов ПУ,
известных на сегодняшний день. Для каждой ПУ существует своё обозначение:
2H, 3C, 4H, 6H, … Наиболее распространённым политипом является 6H. В
зависимости от политипа ширина запрещённой изменяется 2.8(3.5%.
|Материал |Химический символ|Ширина запрещённой |Подвижность |
| | |зоны, эВ |электронов, |
| | | |см2/(В(с) |
|Кубический SiC |(-SiC |2.3 |>1000 |
|Гексагональный |(-SiC |2.9 |(500 |
|SiC | | | |
Основные свойства SiC
1 Широкая запрещенная зона
2 Высокие подвижности носителей тока
3 Химическая устойчивость
4 Высокая теплопроводность
Применение SiC
Указанные свойства обеспечивают возможность большого увеличения
температуры p - n-перехода без ухудшения характеристик, благодаря чему
карбид кремния может применяться:
1 В условиях высоких температур
2 При обычных температурах в приборах, отдающих большую мощность
3 В приборах с большой плотностью тока
Карбид кремния может использоваться в следующих приборах:
в люминесцентных диодах — в красной, зеленой и голубой областях спектра
в высокотемпературных диодах
в приборах, в которых используются основные носители тока
в туннельных диодах
в приборах с холодными катодами
в приборах, используемых в особых (трудных) условиях
Выращивание кристаллов SiC из пара методом Бриджмена-Стокбаргера
Карбид кремния выращивался в аппарате, показанном на рис. 1.
Сублимационная камера представляет собой графитовую бутылку 1, плотно
закрытую втулкой 2, которая оканчивается коническим тиглем 3; внутри этой
бутылки помещается цилиндрический графитовый стакан 4, содержащий исходную
загрузку карбида кремния 5. Стакан покоится на стопке радиационных экранов
6 толщиной 3 мм, отстоящих друг от друга на 6 мм. Общая высота бутылки 56
см, внутренний диаметр 10, 8 см, толщина стенок 6 мм; в нижней части
имеется отверстие 7 для впуска аргона. Внутренний диаметр цилиндрической
части тигля 3 равен 1, 8 см, толщина его стенок 2, 5 мм, угол между
образующими конуса 82°. Все детали выточены из плотного графита наивысшей
возможной (для блоков таких размеров) чистоты.
Сублимационная камера устанавливается в графитовой печи сопротивления
на графитовом штоке длиной 60 см и диаметром 5 см. Шток в свою очередь с
помощью конического шлифа (конусность 6°) укрепляется в медном
водоохлаждаемом патроне высотой 28 см и диаметром 10 см. Патрон может
передвигаться вверх и вниз с помощью винтового механизма.
Нагреватель печи состоит из двух коаксиальных тонкостенных графитовых
цилиндров 13 и 14, в верхней части соединенных вместе. Участок нагревателя,
отвечающий зоне высокой температуры (рабочая часть), имеет диаметр 14, 5 см
и длину 40 см (внутренний цилиндр). Толщина стенок
Рис. 1. Сублимационная нагревателя в этой области равна 1, 5 см.
Наружный камера и нагреватель цилиндр
нагревательного элемента окружен слоем теплоизоляции толщиной 15 см; в
качестве теплоизолирующего материала используется сажа. Сажей заполнена и
заглушка 15, которая служит для регулировки градиента температуры в тигле.
Справа от средней части рабочей зоны показан «горячий» конец
смотрового канала 16 (диаметр 6 мм, длина 45 см) для контроля температуры
нагревателя. Печь нагревается до 2400° С за 16 час, снижение тока до нуля
после окончания опыта производится в течение 6 час.
Длина сублимационной бутылки, ее положение в печи и ток, проходящий
через нагреватель печи, подбираются таким образом, чтобы плоскости,
соответствующие изотермам 2390° С, располагались на уровнях 8 и 9. В зоне
между изотермами 8 и 9 (незаштрихованная часть температурного графика в
левой части фигуры) температура выше 2390° С. В зонах выше изотермы 8 и
ниже уровня 9 (заштрихованы) температура ниже 2390° С. Давление
(абсолютное) внутри сублимационной бутылки поддерживается равным 12 мм рт.
ст. с помощью аргона.
По мере повышения температуры печи аргон внутри стакана-питателя
постепенно замещается «бинарным паром», содержащим Si и С в различных
соотношениях в зависимости от температуры [2, 4], пока вытеснение аргона не
станет полным. Единственными фазами, существующими в зоне между изотермами
8 и 9, являются бинарный пар и графит. Выше изотермы 8 и ниже изотермы 9
устойчивой фазой является, кроме того, твердый карбид кремния.
Если сублимационную камеру передвинуть вверх на 1 мм, а положение изотерм 8
и 9 оставить неизменным, в стакане-питателе исчезнет слой карбида кремния
толщиной 1 мм (появится графитовый остаток толщиной 1 мм), а в коническом
тигле на линии роста 10 выше изотермы 8 осядет слой карбида кремния
толщиной 1 мм.
Если перемещение производить с очень небольшой постоянной скоростью и
если на уровне изотермы 8 имеется достаточно большой температурный
градиент, можно надеяться, что осадок карбида кремния будет
монокристаллическим.
Чтобы определить положение изотерм 8 и 9, одна сторона конического
тигля 3 была сфрезерована, а внутрь стакана-питателя на том уровне, где в
стенке имеется небольшой уступ, был помещен графитовый диск диаметром 9 см
и толщиной 2 мм. Эго позволяет проводить одновременные измерения
температуры (через окошечко в верхней части печи) на конце конического
тигля и на диске внутри стакана-питателя. Отношение внутреннего диаметра
стакана-питателя к внутреннему диаметру тигля 3 должно быть достаточно
большим по следующим причинам: а) карбид кремния в тигле 3 представляет
собой плотный кристаллический осадок, а в питателе — рыхлые куски; б)
большая часть карбида кремния, испаряющегося в зоне изотермы 9 в питателе,
будет осаждаться обратно ниже уровня 9, что будет приводить лишь к
уплотнению загрузки 5, а не к росту осадка 10; в) часть паров теряется
через зазор 11 между стаканом-питателем и сублимационной бутылкой, уходит в
область радиационных экранов.
Радиационные экраны, помимо своего прямого назначения, имеют еще одну
важную функцию. Они служат в качестве затворов, предотвращающих разбавление
бинарного пара в верхней части сублимационной бутылки аргоном, который
подводится с очень небольшой скоростью через отверстие 7 для поддержания в
сублимационной камере постоянного давления, равного 12 мм рт. ст.
Разбавление бинарного пара азотом понижало бы температуру осаждения карбида
кремния.
Внутри канала, через который подводится аргон, помещается патрон 12 с
титановым геттером для очистки поступающего в камеру аргона. Снаружи
сублимационной камеры поддерживается давление 11, 7 мм рт ст., т. е. на 0,
3 мм рт. ст. ниже, чем внутри. Это препятствует попаданию примесей из
окружающего сублимационную камеру печного пространства. Расход аргона для
поддержания этой разности давлений равен 44, 4 мл/час (при стандартных
Страницы: 1, 2
