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.

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%.

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.

С ублимационная 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 температуре и давлении). Скорость потока измеряется в холодной печи до и после опыта и оказалась одинаковой.

Исходная загрузка карбида кремния 5 в стакане-питателе приготовляется in situ: перед каждым опытом в стакан помещается эквимолярная смесь кремния и графита; при нагревании печи кремний расплавляется, смачивает графит и при последующей выдержке реагирует с ним, образуя карбид кремния.

Образовывающиеся були прочно сидят в конической полости; на поверхности роста имеется небольшой налет графита. Графит удаляется отжигом в кислороде при 500° С в течение 3, 5 суток и в течение одной ночи при 550° С.

Конические були имеют диаметр около 3 см в основании и высоту около 1,3 см. Они состоят из нескольких больших зерен бледно-зеленого цвета. В них не заметно пустот; не обнаружено и ветвления гексагональных пластинок ни на самой поверхности роста, ни в ее окрестности. Поверхность роста имеет вид затвердевшего расплава; она равномерно искривлена (радиус кривизны — около 2, 2 см).

В результате частичной утечки пара через стенки сублимационной бутылки и разбавления его аргоном на более холодных частях печи образуются небольшие осадки бледно-желтых чешуек. Пар, который утекает через зазор в соединении 11 в область радиационных экранов, образует массу бледно-зеленых кристаллов на верхних поверхностях экранов. Здесь можно видеть множество хорошо развитых зеркально гладких плоских поверхностей.

Приготовление загрузки

В толстостенный графитовый тигель (рис. 2), состоящий из собственно тигля 1 и съемной воронки 2, помещается кремниевый стержень 3 длиной 18 см, диаметром 28 мм, весом 248, 5 г. Вокруг стержня насыпаются кусочки графита 4 в виде стерженьков длиной около 8 мм и диаметром 3 мм, общим весом 861 г. Это соответствует насыпной плотности 0, 858 г/см³. Между частями 1 и 2 помещается прокладка 5 из графитовой ткани для того, чтобы обеспечить сохранность шести отверстий для болтов 6 (глубиной 12, 5 мм, с резьбой ~М5), необходимых для вынимания тигля из печи после опыта. Тигель покрывается графитовым диском 7, в котором для выравнивания давления прорезаны три Рис. 2. Схема камеры для радиальные щели длиной 2,5 см и шириной 5 мм. Эта крышка приготовления загрузки в свою очередь покрывается д иском из графитовой ткани 8, для сублимации который придавливался другой графитовой крышкой 9. После сборки сублимационная камера устанавливается выступом 10 на край стакана, являющегося подставкой для сублимационной камеры (см. рис. 1). Патрон 12 на рис. 1 с титановым геттером удаляется и отверстие 7 закрывается тремя прокладками из графитовой ткани с проложенными между ними графитовыми дисками толщиной 3 мм. Тигель устанавливается в печи таким образом, чтобы область максимальной температуры (близкой к температуре плавления Si) на вертикальной оси камеры была расположена приблизительно в точке, указанной стрелкой на рис. 2. Температурный максимум используемой печи имеет плоскую форму, а толстостенный тигель еще более уплощает температурное поле, поэтому указанное положение области максимальной температуры является не точным, а лишь наиболее вероятным. Скорость нагрева в момент прохождения точки плавления кремния 30 град/час. Затем повышение температуры продолжается со скоростью около 60 град/час, пока не достигается температура 1530° С в центре диска 9. Перед началом процесса система заполняется аргоном до давления 18 мм рт. ст. Когда температура начинает повышаться, для поддержания постоянного давления аргон необходимо частично отсасывать.

Центральная часть загрузки состоит из спекшихся между собой исходных графитовых стерженьков, которые образовывают агрегаты приблизительно по 6 штук в каждом. Они очень легко отделяются друг от друга. На высоте около 7, 5 см от нижней точки полости тигля образовается слой из спекшихся вместе кусков толщиной около 1 см. Ниже этого слоя находятся только непрореагировавшие куски графита.

Куски графита, прореагировавшие с жидким кремнием, темные, блестящие. Под микроскопом можно видеть, что они представляют собой желто-зеленую кристаллическую массу. Их диаметр увеличевается приблизительно до 5 мм, частично вследствие образования в них нескольких продольных трещин. Отсюда и то «давление», которое возникает внутри загрузки. Из-за их разбухшего вида эти куски называют «губками».

Рентгеновский анализ с использованием в качестве эталона образца, содержащего 9 весовых частей кубического SiC и 1 весовую часть графита, дает содержание непрореагировавшего графита в «губках» 4, 38%.

Эпитаксиальный рост кубического SiC