Политипы карбида кремния

Политипы карбида кремния — это различные кристаллические модификации (полиморфные разновидности) одного и того же химического соединения — карбида кремния (SiC), отличающиеся порядком чередования плотноупакованных слоёв атомов кремния и углерода в кристаллической решётке. Несмотря на идентичный элементный состав, политипы обладают разными физическими, электрофизическими и оптическими свойствами, что определяет их специфическое применение в электронике, оптоэлектронике, абразивной и конструкционной промышленности.

История открытия и изучения

Карбид кремния впервые был синтезирован в 1891 году американским химиком Эдвардом Ачесоном при попытке получения искусственных алмазов. Ачесон назвал полученное вещество «карборундом» и запатентовал способ его производства. Однако долгое время считалось, что SiC существует только в одной кристаллической форме — гексагональной (α-SiC). В 1905 году немецкий минералог Фридрих Беккер обнаружил, что природный карбид кремния (минерал муассанит) может иметь несколько структурных разновидностей.

Систематическое изучение политипов началось в 1950-х годах с развитием рентгеноструктурного анализа. В 1954 году американские учёные Л. С. Рамсделл и Дж. А. Кан определили основные типы укладки слоёв. К 1960-м годам было идентифицировано более 150 политипов, однако наиболее распространёнными и изученными являются около 20. В 1970-х годах была разработана классификация по шкале Рамсделла, основанная на обозначении длины периода повторяемости в гексагональной системе координат.

Кристаллическая структура и принцип политипии

Карбид кремния кристаллизуется в структуре типа сфалерита (цинковой обманки) или вюрцита, где каждый атом кремния тетраэдрически координирован четырьмя атомами углерода и наоборот. Основное различие между политипами заключается в последовательности укладки двойных слоёв Si-C вдоль кристаллографической оси c. Каждый слой состоит из атомов Si и C, расположенных в шахматном порядке.

В гексагональной плотноупакованной структуре возможны три основных положения слоёв, обозначаемых буквами A, B и C. В кубической модификации (3C-SiC) последовательность укладки ABCABC... приводит к кубической симметрии (пространственная группа F43m). В гексагональных политипах последовательность может быть, например, ABAB... (2H-SiC) или ABCBAB... (6H-SiC). Обозначение политипа включает число слоёв в элементарной ячейке (например, 2H, 4H, 6H, 15R) и букву, указывающую на тип кристаллической решётки: H — гексагональная, C — кубическая, R — ромбоэдрическая.

Основные типы политипов

Наиболее распространёнными в промышленности являются политипы 4H-SiC, 6H-SiC и 3C-SiC. Политип 2H-SiC встречается редко из-за термодинамической нестабильности при нормальных условиях.

Физические и электрофизические свойства

Ширина запрещённой зоны

Ширина запрещённой зоны (Eg) политипов SiC варьируется от 2,36 эВ у кубического 3C-SiC до 3,33 эВ у гексагонального 2H-SiC. Это значительно превышает показатель кремния (1,12 эВ), что делает SiC перспективным материалом для высокотемпературной и высоковольтной электроники. Политипы с более широкой запрещённой зоной (4H, 6H) обладают более высокой электрической прочностью и меньшей утечкой тока при высоких температурах.

Подвижность носителей заряда

Подвижность электронов и дырок зависит от политипа. Например, в 4H-SiC подвижность электронов вдоль оси c составляет около 800 см²/(В·с), а в 6H-SiC — около 400 см²/(В·с). В кубическом 3C-SiC подвижность может достигать 1000 см²/(В·с), но этот политип менее стабилен при высоких температурах.

Теплопроводность

Все политипы SiC обладают высокой теплопроводностью (около 3–5 Вт/(см·К) для 4H и 6H), что в 3–4 раза выше, чем у кремния. Это свойство делает SiC привлекательным для силовой электроники, где требуется эффективный отвод тепла.

Механические свойства

Карбид кремния является одним из самых твёрдых материалов: его твёрдость по шкале Мооса составляет 9,5 (уступает только алмазу). Политипы незначительно различаются по твёрдости, но все обладают высокой износостойкостью и химической инертностью.

Методы получения политипов

Синтез монокристаллов

Основным методом получения крупных монокристаллов SiC является метод физического транспорта паров (PVT), также известный как метод Лели. В этом процессе порошок карбида кремния нагревается до 2000–2500 °C в графитовом тигле, а пары конденсируются на затравке. Контролируя температуру, давление и состав газовой фазы, можно получать монокристаллы определённого политипа (обычно 4H или 6H).

Эпитаксиальные методы

Для создания тонких плёнок SiC на подложках используются методы химического осаждения из газовой фазы (CVD) и молекулярно-лучевой эпитаксии (MBE). В CVD-процессе газообразные прекурсоры (например, силаны и углеводороды) разлагаются на нагретой подложке, образуя эпитаксиальный слой. Выбор подложки и температуры позволяет управлять политипом выращиваемого слоя.

Термическое разложение

При нагревании кремния в атмосфере углеводородов или при разложении карбида кремния при высоких температурах могут образовываться различные политипы. Однако этот метод редко используется для получения чистых монокристаллов.

Применение в зависимости от политипа

Силовая электроника

Политипы 4H-SiC и 6H-SiC являются основными материалами для силовых полупроводниковых приборов — диодов Шоттки, полевых транзисторов (MOSFET) и биполярных транзисторов с изолированным затвором (IGBT). Благодаря высокой электрической прочности (до 3 МВ/см) и теплопроводности, SiC-приборы работают при напряжениях свыше 10 кВ и температурах до 600 °C. Политип 4H-SiC предпочтительнее для высоковольтных устройств из-за более высокой подвижности электронов.

Светодиоды и оптоэлектроника

Политипы SiC используются в качестве подложек для эпитаксиального роста нитрида галлия (GaN) при производстве синих и белых светодиодов. Благодаря близкому коэффициенту теплового расширения, SiC-подложки (обычно 6H) обеспечивают высокое качество кристаллической структуры GaN. Кроме того, SiC может быть использован для создания фотодетекторов ультрафиолетового излучения, чувствительных в диапазоне 200–400 нм.

Абразивные материалы

Политипы α-SiC (гексагональные) используются в производстве абразивных инструментов — шлифовальных кругов, наждачной бумаги и режущих дисков. Твёрдость и износостойкость SiC делают его эффективным для обработки твёрдых материалов, включая стекло, керамику и титан.

Высокотемпературные сенсоры

Политипы SiC применяются в датчиках давления, температуры и химических веществ, работающих в экстремальных условиях (например, в газовых турбинах или ядерных реакторах). Благодаря химической инертности и устойчивости к радиации, SiC-сенсоры могут функционировать при температурах до 1000 °C.

Критика и ограничения

Несмотря на уникальные свойства, политипы SiC имеют ряд недостатков. Основным ограничением является высокая стоимость производства монокристаллов большого диаметра (свыше 150 мм) по сравнению с кремнием. Кроме того, плотность дефектов (например, микропор и дислокаций) в SiC-подложках остаётся высокой, что снижает выход годных приборов. Политип 3C-SiC, обладающий наилучшей подвижностью носителей, трудно выращивать в виде стабильных монокристаллов, так как он метастабилен при температурах выше 1600 °C.

Интересные факты

• Минерал муассанит, природный аналог карбида кремния, был впервые обнаружен в 1893 году в метеорите, упавшем в Аризоне. В природе он встречается крайне редко, в основном в виде включений в алмазах.
• Политип 2H-SiC является самым узкозонным среди гексагональных модификаций, но его ширина запрещённой зоны всё равно превышает 3 эВ, что делает его перспективным для глубокого ультрафиолета.
• В 2019 году компания Cree (ныне Wolfspeed) объявила о запуске производства SiC-подложек диаметром 200 мм, что значительно снизило стоимость силовых модулей на основе 4H-SiC.

Источники

• Рамсделл, Л. С. «Политипы карбида кремния» // Acta Crystallographica, 1954.
• Мацунами, Х. «Физические свойства и применение карбида кремния» // Springer, 2017.
• Лебедев, А. А. «Карбид кремния: от синтеза до приборов» // Физика и техника полупроводников, 2000.
• Харрис, Г. Л. «Свойства и применение карбида кремния» // IEE, 1995.
• ГОСТ 26327-84 «Карбид кремния. Технические условия» (Россия).