高纯碳化硅粉体合成方法

 

本文介绍了半导体材料碳化硅的性能、碳化硅单晶生长以及高纯碳化硅粉体的合成方式。

在科技飞速发展的今天，半导体材料领域正经历着一场深刻的变革。第三代宽禁带半导体材料碳化硅（SiC），凭借其卓越的物理特性，在众多高科技应用中崭露头角，备受全球瞩目。      

特性卓越，应用广泛

SiC之所以能在半导体舞台上大放异彩，首先得益于其出色的宽带隙特性。其宽带隙范围在2.3-3.3eV之间，这一特性使其成为制造高频、大功率电子器件的理想之选。就像为电子信号搭建了一条宽阔的高速公路，能够让高频信号顺畅通行，为实现更高效、更快速的数据处理和传输提供了坚实的基础。   高热导率也是SiC的一大亮点，其热导率可达3.6-4.8W·cm-1·K-1。这意味着它能够迅速将热量散发出去，如同给电子器件安装了一个高效的散热“引擎”，使其在抗辐射、抗腐蚀的电子器件应用中表现卓越。无论是在太空探索中面临宇宙射线辐射的考验，还是在恶劣工业环境下抵御腐蚀的侵蚀，SiC都能坚守岗位，稳定运行。   此外，SiC还拥有高载流子饱和迁移率，为1.9-2.6×107cm·s-1。这一特性进一步拓展了其在半导体领域的应用潜力，为提升电子器件的性能提供了有力支持，让电子在其中能够快速且高效地移动，从而实现更强大的功能。

历史的发展与演进

回顾SiC晶体材料的发展历程，犹如翻开一部科技进步的史书。早在1892年，Acheson就发明了用二氧化硅和碳合成SiC粉体的方法，为SiC材料的研究开启了大门。然而，当时制得的SiC材料纯度有限，尺寸也较小，如同一个尚在襁褓中的婴儿，虽有无限潜力，但还需不断成长与完善。   时间来到1955年，Lely通过升华技术成功生长出相对纯净的SiC晶体，这无疑是SiC发展史上的一个重要里程碑。但可惜的是，该方法得到的SiC片状材料尺寸小，性能差异大，就像一群参差不齐的士兵，难以在高端应用领域形成强大的战斗力。   直到1978-1981年，Tairov和Tsvetkov在Lely法基础上引入籽晶，精心设计温度梯度以控制物质运输，也就是我们现在所说的改进的Lely法或籽晶升华法（PVT法）。这一创新举措，为SiC晶体的生长带来了新的曙光，使得SiC晶体的质量和尺寸控制有了显著的提升，为后续SiC在更多领域的应用奠定了坚实的基础。

单晶生长的核心要素

在SiC单晶的生长过程中，SiC粉体的质量起着决定性的作用。当使用β-SiC粉体生长SiC单晶时，会发生向α-SiC的相转变，这一过程会影响气相组分中的Si/C摩尔比，就像一场微妙的化学平衡舞蹈，一旦失衡，就会对晶体生长产生不利影响，如同在建造高楼大厦时，基础结构的不稳定会导致整座建筑的摇摇欲坠。   而且，单晶中大部分杂质都来源于SiC粉体，它们之间存在着紧密的线性关系。也就是说，粉体的纯度越高，单晶的质量就越好。因此，制备高纯度的SiC粉体成为了合成高质量SiC单晶的关键所在，这就要求我们在粉体合成过程中，必须严格控制杂质含量，确保每一个“原料分子”都符合高标准。

高纯SiC粉体合成方法

目前，合成高纯SiC粉体主要有气相法、液相法和固相法三种途径。   气相法通过巧妙控制气源中的杂质含量来获取高纯SiC粉体，其中包括CVD法和等离子体法。CVD法利用高温反应的魔法，能够得到超细、高纯的SiC粉体。例如，Huang等以(CH3)2SiCl2作为原料，在1100-1400℃的高温“熔炉”中，成功制备出纯度高、含氧量低的纳米碳化硅粉体，如同在微观世界里精心雕琢出一件件精美的艺术品。等离子体法则借助高能电子碰撞的力量，实现高纯SiC粉体的合成。像Lin等采用微波等离子体法，将四甲基硅烷(TMS)作为反应气体，在高能电子的“冲击”下，合成出高纯的SiC粉体。不过，气相法虽然纯度高，但成本高昂且合成速率低，就像一位技艺精湛但收费昂贵且工作效率不高的工匠，难以满足大批量生产的需求。   液相法中，溶胶-凝胶法独树一帜，可以合成高纯的SiC粉体。宋永才等以工业硅溶胶和水溶性酚醛树脂为原料，在高温下进行碳热还原反应，最终得到SiC粉体。但液相法同样面临成本高、合成过程复杂的问题，如同一条布满荆棘的道路，虽然能通向目标，但前行的代价和难度都较大，不太适合工业化大规模生产。   固相法中的改进的自蔓延高温合成法，是当前使用范围最广、合成工艺最为成熟的SiC粉体制备方法。例如Jung等使用非晶炭黑和C粉作为原料，在高纯Ar气氛下高温合成高纯β-SiC粉体。它的优势在于过程简单、合成效率高，就像一位勤劳朴实的农夫，虽然干活麻利，但也存在一些不足，比如活化剂可能会引入杂质，并且需要提高反应温度和持续加热，这就像是在丰收的道路上，还需要克服一些小障碍才能收获更优质的成果。