1.1  碳化硅的晶体结构

SiC是Ⅳ-Ⅳ族二元化合物半导体，也是元素周期表中Ⅳ族元素中唯一的一种固态碳化物。从结晶学来分析，SiC由碳原子和硅原子组成，其晶体结构的明显特征是具有多种同素异构体，也就是说，相近的化学计量成分具有多种不同的元素排列结构。在立方结构的（111）方向和六角及菱形结构的（0001）方向有最紧密的堆垛形式，每对连贯的Si-C原子层在原有的Si-C原子层上以密排形式堆垛，相应的位置只有三个，分别标以A，B，C。在原子平面沿密排方向的堆垛过程中，每对Si-C原子层又可以按多种不同的次序，因而构成了大量的SiC同素异构体，如立方结构，六角结构及菱形结构。

SiC同素异构体的命名是由数字和字母构成的，反映了结构学特征。通常用C、H、R分别表示立方，六角和菱形晶格结构，而在字母前加数字代表每一原子平面堆垛周期中Si-C双原子层的数目，如3C-SiC表示由三个Si-C双原子层周期排列形成的立方结构，6H-SiC表示由6个Si-C双原子层周期排列构成的六角结构。立方结构的SiC只有3C-SiC一种，也称为β-SiC，六角及菱形结构的SiC如4H-SiC，6H-SiC，15R-SiC等统称α-SiC。到目前为止，已标识的异构体类型有近200种，除2H-SiC在400℃时即可转变为其它晶型外，大多数晶型极其稳定，最稳定的晶型是6H-SiC[1]。所有这些SiC的同素异构体尽管结构上有差异，但这些结构中每个原子均被四个异种原子所包围，形成正四面体，即每一个碳原子处在四面体的中心位置，四个硅原子处在四面体的顶角位置，反之也是如此。这些原子的结合虽然具有共价键的性质，但是由于硅原子的电负性（约1.8eV）与碳原子的电负性（约2.6eV）的差别，影响了键合性质[2]。目前人们研究较多的几种常见碳化硅异构体的原子排列方式如图1所示：

图1  3C-，4H-，6H-，和15R-SiC中Si-C双原子面的排列方式示意图

1.2　SiC材料的性质

SiC 为同质多型体材料, 具有多种晶体结构, 目前已发现200 多种, 其中最为常见的有三种: 立方密堆积闪锌矿结构的3C-SiC, 即β-SiC; 六方密堆积纤锌矿结构的4H-SiC、6H-SiC, 属于α-SiC。材料基本性质列于表1-1[3]。论文网

表1-1　几种半导体材料的基本特性

性质 3C-SiC 4H-SiC 6H-SiC Si GaAs

禁带宽度Eg(eV)(T<5K) 2.40 3.26 3.02 1.12 1.43

击穿电场Ec(MV·cm-1) 2.12 2.2 2.5 0.25 0.4

饱和电子漂移速度Vsat(107cm·s-1) 2.2 2.0 2.0 1.0 1.0

热导率K(Wcm-1K-1)(300K) 3.2 3.7 4.9 1.5 0.46

电子迁移率μe(cm2·V-1·s-1) 800 1000 400 1400 8500

空穴迁移率μh(cm2·V-1·s-1)