Зета-фаза (ζ)

Зета-фаза (ζ) — это структурная разновидность (политип) карбида кремния (SiC), характеризующаяся определённым порядком чередования плотноупакованных слоёв атомов кремния и углерода. Относится к гексагональной сингонии, пространственная группа P6₃mc. Зета-фаза является одной из многих политипных модификаций карбида кремния, отличающихся от других (например, 3C, 4H, 6H) периодом повторяемости слоёв вдоль гексагональной оси c.

История открытия и изучения

Систематическое изучение политипов карбида кремния началось в середине XX века. В 1950-х годах, с развитием методов рентгеноструктурного анализа и электронной микроскопии, были идентифицированы десятки различных политипов SiC, включая зета-фазу. Первоначально обозначение «ζ» (зета) использовалось для обозначения политипа с периодом повторяемости, кратным 2 (то есть 2H), однако впоследствии номенклатура уточнилась. В современной классификации под зета-фазой чаще всего понимают политип 2H-SiC, который является простейшей гексагональной модификацией с периодом повторяемости в два слоя.

В 1960-х годах советские и зарубежные исследователи (в частности, работы А. Ф. Уэллса, П. Т. Б. Шаффера) детально описали условия синтеза и кристаллографические параметры 2H-SiC. Было установлено, что данная фаза является метастабильной при нормальных условиях и может быть получена лишь при определённых режимах кристаллизации, например, при низких температурах (ниже 1400 °C) или в присутствии примесей.

Кристаллическая структура

Зета-фаза (2H-SiC) имеет гексагональную решётку с параметрами: a ≈ 3,076 Å, c ≈ 5,048 Å (для чистого SiC). Структура описывается чередованием плотноупакованных слоёв атомов кремния и углерода по схеме ABAB... (где A и B — два различных положения слоёв в гексагональной упаковке). Каждый атом кремния тетраэдрически координирован четырьмя атомами углерода, и наоборот. Длина связи Si—C составляет около 1,89 Å.

Политип 2H является одним из двух простейших политипов (наряду с кубическим 3C-SiC). В отличие от более распространённых политипов 4H и 6H, зета-фаза обладает наименьшим периодом повторяемости вдоль оси c (2 слоя). Это приводит к ряду отличий в физических свойствах.

Отличия от других политипов

Как видно из таблицы, зета-фаза обладает самой широкой запрещённой зоной среди всех политипов SiC (3,33 эВ при 300 К), что делает её перспективной для высокотемпературной и высокочастотной электроники.

Свойства

Физические свойства

• Плотность: 3,21 г/см³ (теоретическая).
• Твёрдость: 9,5 по шкале Мооса (близка к алмазу).
• Температура плавления: не плавится, а сублимирует при ~2700 °C (при атмосферном давлении).
• Теплопроводность: высокая, около 4,9 Вт/(см·К) при комнатной температуре (для 2H-SiC).
• Коэффициент термического расширения: 4,5×10⁻⁶ K⁻¹ (вдоль оси a).

Электронные свойства

• Ширина запрещённой зоны: 3,33 эВ (прямая? — непрямая, как и у всех политипов SiC, за исключением кубического 3C).
• Подвижность электронов: ~1000 см²/(В·с) (при низких легированиях).
• Диэлектрическая проницаемость: 9,7 (статическая).
• Пробивное напряжение: ~3×10⁶ В/см (теоретическое).

Химические свойства

Зета-фаза, как и другие политипы SiC, химически инертна. Она не растворяется в кислотах (кроме смеси HF + HNO₃), устойчива к окислению до 1600 °C на воздухе (образуется защитная плёнка SiO₂). При высоких температурах реагирует с расплавами щелочей и некоторыми металлами (например, с железом).

Синтез

Получение чистого 2H-SiC (зета-фазы) затруднено из-за его метастабильности. Основные методы синтеза:

1. Химическое осаждение из газовой фазы (CVD): при температурах 1100–1400 °C, с использованием силана (SiH₄) и углеводородов (например, C₃H₈) в атмосфере водорода. Для стабилизации 2H-политипа часто добавляют примеси (например, алюминий или азот).
2. Метод Лели: выращивание кристаллов SiC из паровой фазы при температурах 1800–2000 °C. В этом случае зета-фаза образуется лишь в виде тонких пластин (нитевидных кристаллов) на подложках.
3. Термическое разложение полимеров: например, поликарбосилана при 1000–1200 °C в инертной атмосфере.
4. Гидротермальный синтез: при высоких давлениях (до 100 МПа) и температурах 600–800 °C.

Для практического применения зета-фазу обычно получают в виде эпитаксиальных плёнок на подложках 6H-SiC или 4H-SiC.

Применение

Благодаря широкой запрещённой зоне и высокой теплопроводности, зета-фаза (2H-SiC) перспективна для:

• Силовых полупроводниковых приборов: диоды Шоттки, полевые транзисторы (MOSFET) для работы при высоких напряжениях (до 10 кВ) и температурах (до 600 °C).
• Оптоэлектроника: светодиоды ультрафиолетового диапазона (длина волны ~372 нм, соответствующая ширине запрещённой зоны 3,33 эВ).
• Детекторы ионизирующего излучения: из-за высокой радиационной стойкости.
• Подложки для эпитаксии: для выращивания нитрида галлия (GaN) и других III-V соединений, поскольку 2H-SiC имеет близкое согласование параметров решётки с GaN.

Однако широкое промышленное применение зета-фазы ограничено сложностью синтеза крупных бездефектных монокристаллов. Наиболее распространёнными в промышленности остаются политипы 4H и 6H.

Интересные факты

• Зета-фаза является единственным политипом SiC, который может быть получен в виде тонких плёнок при комнатной температуре методом магнетронного распыления (с последующим отжигом).
• В природе 2H-SiC встречается крайне редко — лишь в метеоритах (например, в углистых хондритах) и в некоторых кимберлитовых трубках.
• В 2010-х годах было показано, что зета-фаза может проявлять свойства топологического изолятора при определённых деформациях решётки.

Источники

1. Shaffer P. T. B. A review of the structure of silicon carbide // Acta Crystallographica. — 1969. — Vol. B25. — P. 477–488.
2. Harris G. L. Properties of Silicon Carbide. — INSPEC, IEE, 1995. — 282 p.
3. Matsunami H., Kimoto T. Step-controlled epitaxy of SiC: A review // Materials Science and Engineering: R. — 1997. — Vol. 20, № 3. — P. 125–166.
4. Физика и технология карбида кремния / Под ред. Ю. М. Таирова. — М.: Энергоатомиздат, 1987. — 240 с.
5. Choyke W. J., Matsunami H., Pensl G. Silicon Carbide: Recent Major Advances. — Springer, 2004. — 800 p.