一文了解碳化硅晶体如何制备

碳化硅是一种具有独特物理和化学性质的IV-IV族化合物，Si  原子和 C  原子通过在 sp³杂化轨道上共用电子对形成共价键，以四面体键合的方式形成 SiC 晶体。碳化硅晶体具有超过200种多型结构，这些多型结构以 Si-C 双原子为结构的基本单元，采用不同的堆垛方式排列而成，在 Ramsdell 符号体系中，多型体由单位晶胞中 Si-C 双原子 层的层数和晶系来表示 (C  表示立方晶系；H 表示六方晶系， R 表示斜方六面体晶系) 。图2-1 为几种常见的 SiC  多型体结构，图中的 A 、B 、C  表示密排六方结构中潜在 占据的晶格位置。这些位置的命名使得3C-SiC  可以用重复的序列 ABC 来表述，同样，4H-SiC 可以由ABCB  来表述，6H-SiC 可以由ABCACB 来表述。

最早制备出 SiC 晶体的方法是 Acheson 法，1885年，Acheson 将四成焦炭、五成硅 石混合物和一成掺入剂放入槽型高温炉中，先加热到1900℃,然后缓慢升温至2700℃ 左右，接着进行降温处理，将炉内温度稳定在2000℃约三十小时，然后冷却，最终得到 碳化硅结晶134]。这种方法的加热过程和高温炉的结构有关，而且生长出的碳化硅晶体尺 寸很小，并容易产生多晶，所以不适用于规模化生产。现在，能够生长出高品质碳化硅 单晶的方法主要有三种，分别是物理气相输运法、液相法和高温化学气相沉积法，下面 将对这三种方法进行介绍。

(1) 物理气相输运法

物理气相输运法(PVT  法)又被称为改进的Lely 法。1955年，菲利普实验室的Lely 基于“升华-凝聚”原理发明了一种生长碳化硅单晶的方法39]。该方法将装有碳化硅粉 料的坩埚放置于石墨制的加热体内，向高温炉内通入氩气等惰性气体，再按照一定的温 度-时间关系加热，使炉内温度达到2250℃左右，然后进行保温约6个小时，保温结束 后停止加热，让其缓慢冷却。在这种条件下，碳化硅粉料分解升华，向上扩散，最终在 炉腔顶部重新凝聚形成碳化硅晶体，其尺寸一般在10mm 以下，且形状以针状和片状为主。