技术分享|碳化硅晶片为什么存在C面和硅面?

DT半导体材料 2024-03-25 19:25

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SiC是一种Si元素和C元素以1:1比例形成的二元化合物，即百分之五十的硅（Si）和百分之五十的碳（C），其基本结构单元为 Si-C 四面体。

举个例子，Si原子直径大，相当于苹果，C原子直径小，相当于橘子，把数量相等的橘子和苹果堆在一起就成了SiC晶体。

SiC 是一种二元化合物，其中 Si-Si 键原子间距为3.89 Å，这个间距如何理解呢？目前市面上最牛逼的光刻机光刻精度3nm，就是30Å的距离，光刻精度是原子距离的8倍。

Si-Si键能大小为 310 kJ/mol，可以理解键能是把这两个原子拉开的力度，键能越大，需要拉开的力越大。

Si-C键原子间距为 1.89 Å，键能大小为 447 kJ/mol。

从键能上可以看出相较于传统的硅基半导体材料，碳化硅基半导体材料化学性质更加稳定。从图中看出任意一个C原子都与最邻近的四个Si原子相连，反之任意一个Si原子都与最邻近的四个C原子相键连。

SiC 晶体结构还可以采用层状结构方法描述，如图所示，晶体中的若干C原子均占据在同一平面上的六方格位点中，形成一个C原子密排层，而Si原子也占据在同一平面上的六方格位点中并形成一个Si原子密排层。

C原子密排层中的每一个C都与最邻近的Si相连接，反之Si原子密排层也相同。每两个相邻的 C、Si原子密排层构成一个碳硅双原子层。

SiC晶体的排列组合形式十分丰富，目前已发现的SiC晶型达 200 多个。这个类似俄罗斯方块，虽然最小单元方块都一样，但方块组合在一起后，就拼成出了不同形态。SiC的空间结构比俄罗斯方块稍微复杂点，它的最小单元从小方格变成小四面体，由C原子和Si原子组成的四面体。

为了区分 SiC 的不同晶型，目前主要采用 Ramsdell 方法进行标记。该方法采用字母与数字相结合的方法来表示SiC 的不同晶型。其中字母放在后面，用来表示晶体的晶胞类型。C 代表立方晶型(英文Cubic首字母)，H 代表六方晶型(英文Hexagonal首字母)，R 代表菱形晶型(英文Rhombus首字母)。数字放在前面，用来表示基本重复单元的Si-C双原子层的层数。

除2H-SiC与3C-SiC外，其它晶型均可视为闪锌矿与纤锌矿结构的混合体，也就是密排六方结构。