碳化硅晶体的生长原理

碳化硅晶体的生长原理

在自然界中，晶体不胜枚举，其分布及应用都十分广泛。例如日常生活中随处可见的盐、糖、钻石、雪花都是晶体；此外，半导体晶体、激光晶体、闪烁晶体、超硬晶体等晶体材料在工业、医疗、半导体及众多科研领域也发挥着重要的作用。

不同晶体材料之间的结构、性能以及制备方法不尽相同，但其共通特点是晶体中的原子排列规则有序，在三维空间中通过周期性堆垛，组成特定结构的晶格，因此晶体材料的外观通常会呈现出整齐规则的几何形状。

碳化硅单晶衬底材料（Silicon Carbide Single Crystal Substrate Materials，以下简称SiC衬底）也是晶体材料的一种，属于宽禁带半导体材料，具有耐高压、耐高温、高频、低损耗等优势，是制备大功率电力电子器件以及微波射频器件的基础性材料。

SiC的晶体结构

SiC单晶是由Si和C两种元素按照1:1化学计量比组成的Ⅳ-Ⅳ族化合物半导体材料，硬度仅次于金刚石。

C原子和Si原子都有4个价电子，可以形成4个共价键，组成SiC基本结构单元——Si-C四面体，Si原子和C原子的配位数都是4，即每个C原子周围都有4个Si原子，每个Si原子周围都有4个C原子。

SiC衬底作为一种晶体材料，也具有原子层周期性堆垛的特性。Si-C双原子层沿着[0001]方向进行堆垛，由于层与层之间的键能差异小，原子层之间容易产生不同的连接方式，这就导致SiC具有较多种类的晶型。常见晶型有2H-SiC、3C-SiC、4H-SiC、6H-SiC、15R-SiC等，其中，按照“ABCB”顺序进行堆垛的结构称为4H晶型。虽然不同晶型的SiC晶体具有相同的化学成分，但是它们的物理性质，特别是禁带宽度、载流子迁移率等特性有较大的差别。其中，4H晶型各方面的性能更适合半导体领域的应用。

生长温度、压力等多种因素都会影响SiC衬底的晶型稳定性，因此想要获得高质量、晶型均一的单晶材料，在制备过程中必须精确控制如生长温度、生长压力、生长速度等多种工艺参数。