碳化硅晶體的生長原理

在自然界中，晶體不勝枚舉，其分布及應用都十分廣泛。例如日常生活中隨處可見的鹽、糖、鉆石、雪花都是晶體；此外，半導體晶體、激光晶體、閃爍晶體、超硬晶體等晶體材料在工業(yè)、醫(yī)療、半導體及眾多科研領(lǐng)域也發(fā)揮著重要的作用。

不同晶體材料之間的結(jié)構(gòu)、性能以及制備方法不盡相同，但其共通特點是晶體中的原子排列規(guī)則有序，在三維空間中通過周期性堆垛，組成特定結(jié)構(gòu)的晶格，因此晶體材料的外觀通常會呈現(xiàn)出整齊規(guī)則的幾何形狀。

碳化硅單晶襯底材料（Silicon Carbide Single Crystal Substrate Materials，以下簡稱SiC襯底）也是晶體材料的一種，屬于寬禁帶半導體材料，具有耐高壓、耐高溫、高頻、低損耗等優(yōu)勢，是制備大功率電力電子器件以及微波射頻器件的基礎(chǔ)性材料。

SiC的晶體結(jié)構(gòu)

SiC單晶是由Si和C兩種元素按照1:1化學計量比組成的Ⅳ-Ⅳ族化合物半導體材料，硬度僅次于金剛石。

C原子和Si原子都有4個價電子，可以形成4個共價鍵，組成SiC基本結(jié)構(gòu)單元——Si-C四面體，Si原子和C原子的配位數(shù)都是4，即每個C原子周圍都有4個Si原子，每個Si原子周圍都有4個C原子。

SiC襯底作為一種晶體材料，也具有原子層周期性堆垛的特性。Si-C雙原子層沿著[0001]方向進行堆垛，由于層與層之間的鍵能差異小，原子層之間容易產(chǎn)生不同的連接方式，這就導致SiC具有較多種類的晶型。常見晶型有2H-SiC、3C-SiC、4H-SiC、6H-SiC、15R-SiC等，其中，按照“ABCB”順序進行堆垛的結(jié)構(gòu)稱為4H晶型。雖然不同晶型的SiC晶體具有相同的化學成分，但是它們的物理性質(zhì)，特別是禁帶寬度、載流子遷移率等特性有較大的差別。其中，4H晶型各方面的性能更適合半導體領(lǐng)域的應用。

生長溫度、壓力等多種因素都會影響SiC襯底的晶型穩(wěn)定性，因此想要獲得高質(zhì)量、晶型均一的單晶材料，在制備過程中必須精確控制如生長溫度、生長壓力、生長速度等多種工藝參數(shù)。