સિલિકોન કાર્બાઇડ (Ⅰ) ની રચના અને વૃદ્ધિ તકનીક

પ્રથમ, SiC ક્રિસ્ટલની રચના અને ગુણધર્મો.

SiC એ 1:1 રેશિયોમાં Si એલિમેન્ટ અને C એલિમેન્ટ દ્વારા બનેલું દ્વિસંગી સંયોજન છે, એટલે કે 50% સિલિકોન (Si) અને 50% કાર્બન (C), અને તેનું મૂળભૂત માળખાકીય એકમ SI-C ટેટ્રાહેડ્રોન છે.

સિલિકોન કાર્બાઇડ ટેટ્રાહેડ્રોન સ્ટ્રક્ચરનું યોજનાકીય આકૃતિ

 ઉદાહરણ તરીકે, Si પરમાણુ વ્યાસમાં મોટા હોય છે, એક સફરજનની સમકક્ષ હોય છે, અને C અણુ વ્યાસમાં નાના હોય છે, નારંગીની સમકક્ષ હોય છે, અને SiC ક્રિસ્ટલ બનાવવા માટે સમાન સંખ્યામાં નારંગી અને સફરજન એકસાથે ભેગા થાય છે.

SiC એ દ્વિસંગી સંયોજન છે, જેમાં Si-Si બોન્ડ પરમાણુ અંતર 3.89 A છે, આ અંતર કેવી રીતે સમજવું? હાલમાં, બજારમાં સૌથી ઉત્કૃષ્ટ લિથોગ્રાફી મશીન 3nm ની લિથોગ્રાફી ચોકસાઈ ધરાવે છે, જે 30A નું અંતર છે, અને લિથોગ્રાફીની ચોકસાઈ અણુ અંતર કરતા 8 ગણી છે.

Si-Si બોન્ડ એનર્જી 310 kJ/mol છે, તેથી તમે સમજી શકો છો કે બોન્ડ એનર્જી એ બળ છે જે આ બે અણુઓને અલગ ખેંચે છે અને બોન્ડ એનર્જી જેટલી વધારે છે, તેટલું વધારે બળ તમારે અલગ કરવા માટે જરૂરી છે.

 ઉદાહરણ તરીકે, Si પરમાણુ વ્યાસમાં મોટા હોય છે, એક સફરજનની સમકક્ષ હોય છે, અને C અણુ વ્યાસમાં નાના હોય છે, નારંગીની સમકક્ષ હોય છે, અને SiC ક્રિસ્ટલ બનાવવા માટે સમાન સંખ્યામાં નારંગી અને સફરજન એકસાથે ભેગા થાય છે.

SiC એ દ્વિસંગી સંયોજન છે, જેમાં Si-Si બોન્ડ પરમાણુ અંતર 3.89 A છે, આ અંતર કેવી રીતે સમજવું? હાલમાં, બજારમાં સૌથી ઉત્કૃષ્ટ લિથોગ્રાફી મશીન 3nm ની લિથોગ્રાફી ચોકસાઈ ધરાવે છે, જે 30A નું અંતર છે, અને લિથોગ્રાફીની ચોકસાઈ અણુ અંતર કરતા 8 ગણી છે.

Si-Si બોન્ડ એનર્જી 310 kJ/mol છે, તેથી તમે સમજી શકો છો કે બોન્ડ એનર્જી એ બળ છે જે આ બે અણુઓને અલગ ખેંચે છે અને બોન્ડ એનર્જી જેટલી વધારે છે, તેટલું વધારે બળ તમારે અલગ કરવા માટે જરૂરી છે.

સિલિકોન કાર્બાઇડ ટેટ્રાહેડ્રોન સ્ટ્રક્ચરનું યોજનાકીય આકૃતિ

 ઉદાહરણ તરીકે, Si પરમાણુ વ્યાસમાં મોટા હોય છે, એક સફરજનની સમકક્ષ હોય છે, અને C અણુ વ્યાસમાં નાના હોય છે, નારંગીની સમકક્ષ હોય છે, અને SiC ક્રિસ્ટલ બનાવવા માટે સમાન સંખ્યામાં નારંગી અને સફરજન એકસાથે ભેગા થાય છે.

SiC એ દ્વિસંગી સંયોજન છે, જેમાં Si-Si બોન્ડ પરમાણુ અંતર 3.89 A છે, આ અંતર કેવી રીતે સમજવું? હાલમાં, બજારમાં સૌથી ઉત્કૃષ્ટ લિથોગ્રાફી મશીન 3nm ની લિથોગ્રાફી ચોકસાઈ ધરાવે છે, જે 30A નું અંતર છે, અને લિથોગ્રાફીની ચોકસાઈ અણુ અંતર કરતા 8 ગણી છે.

Si-Si બોન્ડ એનર્જી 310 kJ/mol છે, તેથી તમે સમજી શકો છો કે બોન્ડ એનર્જી એ બળ છે જે આ બે અણુઓને અલગ ખેંચે છે અને બોન્ડ એનર્જી જેટલી વધારે છે, તેટલું વધારે બળ તમારે અલગ કરવા માટે જરૂરી છે.

 ઉદાહરણ તરીકે, Si પરમાણુ વ્યાસમાં મોટા હોય છે, એક સફરજનની સમકક્ષ હોય છે, અને C અણુ વ્યાસમાં નાના હોય છે, નારંગીની સમકક્ષ હોય છે, અને SiC ક્રિસ્ટલ બનાવવા માટે સમાન સંખ્યામાં નારંગી અને સફરજન એકસાથે ભેગા થાય છે.

SiC એ દ્વિસંગી સંયોજન છે, જેમાં Si-Si બોન્ડ પરમાણુ અંતર 3.89 A છે, આ અંતર કેવી રીતે સમજવું? હાલમાં, બજારમાં સૌથી ઉત્કૃષ્ટ લિથોગ્રાફી મશીન 3nm ની લિથોગ્રાફી ચોકસાઈ ધરાવે છે, જે 30A નું અંતર છે, અને લિથોગ્રાફીની ચોકસાઈ અણુ અંતર કરતા 8 ગણી છે.

Si-Si બોન્ડ એનર્જી 310 kJ/mol છે, તેથી તમે સમજી શકો છો કે બોન્ડ એનર્જી એ બળ છે જે આ બે અણુઓને અલગ ખેંચે છે અને બોન્ડ એનર્જી જેટલી વધારે છે, તેટલું વધારે બળ તમારે અલગ કરવા માટે જરૂરી છે.

આપણે જાણીએ છીએ કે દરેક પદાર્થ અણુઓથી બનેલો છે, અને સ્ફટિકની રચના એ અણુઓની નિયમિત ગોઠવણી છે, જેને નીચેની જેમ લાંબા-અંતરનો ક્રમ કહેવામાં આવે છે. સૌથી નાના સ્ફટિક એકમને કોષ કહેવામાં આવે છે, જો કોષ ઘન માળખું હોય, તો તેને ક્લોઝ-પેક્ડ ક્યુબિક કહેવામાં આવે છે, અને કોષ ષટ્કોણ માળખું છે, તેને ક્લોઝ-પેક્ડ ષટ્કોણ કહેવામાં આવે છે.

સામાન્ય SiC ક્રિસ્ટલ પ્રકારોમાં 3C-SiC, 4H-SiC, 6H-SiC, 15R-SiC, વગેરેનો સમાવેશ થાય છે. c અક્ષની દિશામાં તેમનો સ્ટેકીંગ ક્રમ આકૃતિમાં બતાવવામાં આવ્યો છે.

 

તેમાંથી, 4H-SiC નો મૂળભૂત સ્ટેકીંગ ક્રમ ABCB છે... ; 6H-SiC નો મૂળભૂત સ્ટેકીંગ ક્રમ ABCACB છે... ; 15R-SiC નો મૂળભૂત સ્ટેકીંગ ક્રમ ABCACBCABACABCB છે... .

 

આને ઘર બાંધવા માટેની ઈંટ તરીકે જોઈ શકાય છે, કેટલીક ઘરની ઈંટોને મૂકવાની ત્રણ રીતો હોય છે, કેટલીક પાસે તેને મૂકવાની ચાર રીત હોય છે, કેટલીક પાસે છ રીત હોય છે.
આ સામાન્ય SiC ક્રિસ્ટલ પ્રકારોના મૂળભૂત સેલ પરિમાણો કોષ્ટકમાં બતાવવામાં આવ્યા છે:

a, b, c અને ખૂણાનો અર્થ શું થાય છે? SiC સેમિકન્ડક્ટરમાં સૌથી નાના એકમ કોષની રચના નીચે મુજબ વર્ણવેલ છે:

સમાન કોષના કિસ્સામાં, ક્રિસ્ટલનું માળખું પણ અલગ હશે, આ એવું છે કે આપણે લોટરી ખરીદીએ છીએ, વિજેતા નંબર 1, 2, 3 છે, તમે 1, 2, 3 ત્રણ નંબરો ખરીદ્યા છે, પરંતુ જો નંબર સૉર્ટ કરવામાં આવે તો અલગ રીતે, જીતવાની રકમ અલગ છે, તેથી સમાન ક્રિસ્ટલની સંખ્યા અને ક્રમ, સમાન ક્રિસ્ટલ કહી શકાય.
નીચેનો આંકડો બે લાક્ષણિક સ્ટેકીંગ મોડ્સ બતાવે છે, માત્ર ઉપલા અણુઓના સ્ટેકીંગ મોડમાં તફાવત, સ્ફટિક માળખું અલગ છે.

SiC દ્વારા રચાયેલ સ્ફટિક માળખું તાપમાન સાથે મજબૂત રીતે સંબંધિત છે. 1900~2000 ℃ ના ઊંચા તાપમાનની ક્રિયા હેઠળ, 3C-SiC તેની નબળી માળખાકીય સ્થિરતાને કારણે ધીમે ધીમે ષટ્કોણ SiC પોલીફોર્મ જેમ કે 6H-SiC માં પરિવર્તિત થશે. તે ચોક્કસપણે છે કારણ કે SiC પોલીમોર્ફ્સ અને તાપમાનની રચનાની સંભાવના અને 3C-SiC ની અસ્થિરતા વચ્ચેના મજબૂત સંબંધને કારણે, 3C-SiC ના વિકાસ દરમાં સુધારો કરવો મુશ્કેલ છે, અને તૈયારી કરવી મુશ્કેલ છે. 4H-SiC અને 6H-SiC ની ષટ્કોણ પ્રણાલી સૌથી સામાન્ય અને તૈયાર કરવામાં સરળ છે, અને તેમની પોતાની લાક્ષણિકતાઓને કારણે તેનો વ્યાપકપણે અભ્યાસ કરવામાં આવે છે.

 SiC ક્રિસ્ટલમાં SI-C બોન્ડની બોન્ડ લંબાઈ માત્ર 1.89A છે, પરંતુ બંધનકર્તા ઊર્જા 4.53eV જેટલી ઊંચી છે. તેથી, બોન્ડિંગ સ્ટેટ અને એન્ટી-બોન્ડિંગ સ્ટેટ વચ્ચે એનર્જી લેવલનું અંતર ઘણું મોટું છે અને વિશાળ બેન્ડ ગેપ રચી શકાય છે, જે Si અને GaAs કરતાં અનેક ગણું છે. ઉચ્ચ બેન્ડ ગેપ પહોળાઈનો અર્થ છે કે ઉચ્ચ-તાપમાન સ્ફટિક માળખું સ્થિર છે. સંકળાયેલ પાવર ઈલેક્ટ્રોનિક્સ ઊંચા તાપમાને સ્થિર કામગીરીની લાક્ષણિકતાઓ અને સરળ હીટ ડિસીપેશન સ્ટ્રક્ચરને અનુભવી શકે છે.

Si-C બોન્ડનું ચુસ્ત બંધન જાળીને ઉચ્ચ કંપન આવર્તન બનાવે છે, એટલે કે, ઉચ્ચ ઊર્જા ફોનોન, જેનો અર્થ છે કે SiC ક્રિસ્ટલ ઉચ્ચ સંતૃપ્ત ઇલેક્ટ્રોન ગતિશીલતા અને થર્મલ વાહકતા ધરાવે છે, અને સંબંધિત પાવર ઇલેક્ટ્રોનિક ઉપકરણો ધરાવે છે. ઉચ્ચ સ્વિચિંગ સ્પીડ અને વિશ્વસનીયતા, જે ઉપકરણના અતિશય તાપમાનની નિષ્ફળતાના જોખમને ઘટાડે છે. વધુમાં, SiC ની ઉચ્ચ બ્રેકડાઉન ફીલ્ડ સ્ટ્રેન્થ તેને ઉચ્ચ ડોપિંગ સાંદ્રતા હાંસલ કરવાની અને ઓછી ઓન-રેઝિસ્ટન્સ મેળવવાની મંજૂરી આપે છે.

 બીજું, SiC ક્રિસ્ટલ વિકાસનો ઇતિહાસ

 1905 માં, ડૉ. હેનરી મોઈસાને ખાડોમાં કુદરતી SiC સ્ફટિકની શોધ કરી, જે તેમને હીરા જેવું લાગે છે અને તેને મોસન હીરાનું નામ આપ્યું.

 વાસ્તવમાં, 1885ની ​​શરૂઆતમાં, અચેસને સિલિકા સાથે કોકનું મિશ્રણ કરીને અને તેને ઇલેક્ટ્રિક ભઠ્ઠીમાં ગરમ ​​કરીને SiC મેળવ્યું હતું. તે સમયે, લોકો તેને હીરાનું મિશ્રણ સમજતા હતા અને તેને એમરી કહેતા હતા.

 1892 માં, અચેસને સંશ્લેષણ પ્રક્રિયામાં સુધારો કર્યો, તેણે ક્વાર્ટઝ રેતી, કોક, લાકડાની થોડી ચિપ્સ અને NaCl નું મિશ્રણ કર્યું અને તેને ઇલેક્ટ્રિક આર્ક ફર્નેસમાં 2700℃ સુધી ગરમ કર્યું, અને સફળતાપૂર્વક ભીંગડાંવાળું કે જેવું SiC સ્ફટિકો મેળવ્યા. SiC સ્ફટિકોને સંશ્લેષણ કરવાની આ પદ્ધતિને Acheson પદ્ધતિ તરીકે ઓળખવામાં આવે છે અને હજુ પણ ઉદ્યોગમાં SiC ઘર્ષક ઉત્પાદનની મુખ્ય પદ્ધતિ છે. કૃત્રિમ કાચા માલની ઓછી શુદ્ધતા અને રફ સંશ્લેષણ પ્રક્રિયાને કારણે, Acheson પદ્ધતિ વધુ SiC અશુદ્ધિઓ, નબળી ક્રિસ્ટલ અખંડિતતા અને નાના ક્રિસ્ટલ વ્યાસનું ઉત્પાદન કરે છે, જે મોટા-કદ, ઉચ્ચ-શુદ્ધતા અને ઉચ્ચ ગુણવત્તા માટે સેમિકન્ડક્ટર ઉદ્યોગની જરૂરિયાતોને પૂરી કરવી મુશ્કેલ છે. -ગુણવત્તાવાળા સ્ફટિકો, અને તેનો ઉપયોગ ઇલેક્ટ્રોનિક ઉપકરણોના ઉત્પાદન માટે કરી શકાતો નથી.

 ફિલિપ્સ લેબોરેટરીના લેલીએ 1955માં SiC સિંગલ ક્રિસ્ટલ ઉગાડવા માટે એક નવી પદ્ધતિનો પ્રસ્તાવ મૂક્યો. આ પદ્ધતિમાં, ગ્રેફાઇટ ક્રુસિબલનો ઉપયોગ વૃદ્ધિ જહાજ તરીકે થાય છે, SiC પાવડર ક્રિસ્ટલનો ઉપયોગ SiC ક્રિસ્ટલને ઉગાડવા માટે કાચા માલ તરીકે થાય છે, અને છિદ્રાળુ ગ્રેફાઇટનો ઉપયોગ અલગ કરવા માટે થાય છે. ઉગાડતા કાચા માલના કેન્દ્રમાંથી એક હોલો વિસ્તાર. જ્યારે ઉગાડવામાં આવે છે, ત્યારે ગ્રેફાઇટ ક્રુસિબલને Ar અથવા H2 ના વાતાવરણ હેઠળ 2500℃ સુધી ગરમ કરવામાં આવે છે, અને પેરિફેરલ SiC પાવડર સબલાઈમ થાય છે અને Si અને C વરાળ તબક્કાના પદાર્થોમાં વિઘટિત થાય છે, અને SiC ક્રિસ્ટલ ગેસ પછી મધ્ય હોલો પ્રદેશમાં ઉગાડવામાં આવે છે. પ્રવાહ છિદ્રાળુ ગ્રેફાઇટ દ્વારા પ્રસારિત થાય છે.

ત્રીજું, SiC ક્રિસ્ટલ વૃદ્ધિ તકનીક

SiC ની સિંગલ ક્રિસ્ટલ વૃદ્ધિ તેની પોતાની લાક્ષણિકતાઓને કારણે મુશ્કેલ છે. આ મુખ્યત્વે એ હકીકતને કારણે છે કે વાતાવરણીય દબાણ પર Si: C = 1:1 ના સ્ટોઇકિયોમેટ્રિક ગુણોત્તર સાથે કોઈ પ્રવાહી તબક્કો નથી, અને તે સેમિકન્ડક્ટરની વર્તમાન મુખ્ય પ્રવાહની વૃદ્ધિ પ્રક્રિયા દ્વારા ઉપયોગમાં લેવાતી વધુ પરિપક્વ વૃદ્ધિ પદ્ધતિઓ દ્વારા ઉગાડી શકાતી નથી. ઉદ્યોગ - cZ પદ્ધતિ, ફોલિંગ ક્રુસિબલ પદ્ધતિ અને અન્ય પદ્ધતિઓ. સૈદ્ધાંતિક ગણતરી મુજબ, જ્યારે દબાણ 10E5atm કરતા વધારે હોય અને તાપમાન 3200℃ કરતા વધારે હોય ત્યારે જ Si: C = 1:1 સોલ્યુશનનો સ્ટોઇકિયોમેટ્રિક ગુણોત્તર મેળવી શકાય છે. આ સમસ્યાને દૂર કરવા માટે, વૈજ્ઞાનિકોએ ઉચ્ચ ક્રિસ્ટલ ગુણવત્તા, મોટા કદના અને સસ્તા SiC સ્ફટિકો મેળવવા માટે વિવિધ પદ્ધતિઓ પ્રસ્તાવિત કરવા માટે અવિરત પ્રયાસો કર્યા છે. હાલમાં, મુખ્ય પદ્ધતિઓ પીવીટી પદ્ધતિ, પ્રવાહી તબક્કા પદ્ધતિ અને ઉચ્ચ તાપમાનની વરાળ રાસાયણિક જમા કરવાની પદ્ધતિ છે.