 |
Marie Curie Actions |
MANSiC pentru toti |
|||||||||||
Carbura de siliciu |
|
| Carbura de siliciu (SiC), cunoscuta si sub denumirea de carborundum sau moissanite (nume dat de cercetatorul francez Dr. Henri MOISSAN , primul care a descoperit-o in 1905), este un material compozit format din 50% carbon si 50% siliciu. In stare naturala, SiC se gaseste doar in cantitati mici, in locuri geologice exceptionale cum sunt minele diamantifere, craterele vulcanice kimberlitice si chiar in cateva tipuri de meteoriti. De aceea, toata cantitatea de carbura de siliciu vanduta in lume este de natura sintetica. |
||||||
Acest material este in acelasi timp un material ceramic si un semiconductor avand proprietati exceptionale. Este foarte dur (aproape atat de dur ca diamantul), inert din punct de vedere chimic, rezistent la temperaturi ridicate (>1000°C), la oxidare si medii ostile. SiC poseda o conductivitate termica mare care ii permite sa evacueze caldura la fel de eficient ca un metal.
A fost utilizat in industrie ca material abraziv mai mult de un secol (principalul produs al companiei Carborundum), dar astazi aplicatiile lui sunt diverse, cum ar fi de exemplu in domeniul aerospatial (la motoare cu functionare la temperatura ridicata, la discuri de frana), ca material compozit, filtru pentru particule si elemente de incalzire. |
||||||
Cristalele de SiC au inceput sa fie recent folosite si in domeniul bijuteriilor sub numele de moissanite din cauza proprietatilor sale optice apropiate de cele ale diamantul. Dar principala aplicatie a SiC este in domeniul electronicii. Intradevar, dispozitivele electronice realizate din SiC ar trebui sa functioneze la temperaturi, puteri si frecvente mai mari si intr-un mediu mai ostil decat cele actuale realizate din materiale semiconductoare (siliciu, germaniu, arseniura de galiu). Dar, pentru a avea proprietatile electronice intrinseci ale SiC, este imperativ de a controla cresterea cristalelor de mare calitate. |
||||||
|
||||||
| Cresterea cristalina a SiC | ||||||
Un cristal este un material solid compus dintr-o secventa regulata si periodica de atomi. Aproape orice material solid (metal, aliaj, materiale ceramice, saruri, materiale plastice...) poate produce cristale daca sunt indeplinite conditiile de buna organizare a atomilor. In majoritatea cazurilor, trebuie furnizata energie atomilor (sub forma de caldura sau presiune) pentru ca ei sa se poata pozitiona intr-o retea tridimensionala. Cristalele gasite in natura, in general, sunt formate spontan insa aceasta crestere conduce la aparitia multor defecte (o secventa imperfecta, incluziuni de alte materiale...). Avand in vedere ca industria electronica are nevoie de cristale de mare calitate pentru a intensifica performantele dispozitivelor fabricate, cele mai bune cristale realizate spontan sunt in general utilizate ca germeni pentru cresterea ulterioara si/sau imbunatatirea calitatii. In acest scop, se utilizeaza o tehnica de crestere prin copiere, numita epitaxie (de la cuvantul grec "epi = pe" si "taxis = in mod ordonat") care necesita reactanti si un germene. |
||||||
|
||||||
|
||||||
|
||||||
Este important de precizat ca peridiocitatea de asezare a atomilor in cristal (retea tridimensionala) depinde de multe ori de conditiile de cristalizare. Cel mai cunoscut exemplu este al atomilor de carbon care pot produce grafit (carbune) in conditii moderate de temperatura si presiune, in timp ce la temperaturi si presiuni foarte ridicate conduc la diamant. Aceasta capacitatea de a cristaliza sub diferite forme se numeste polimorfism. |
||||||
SiC prezinta o forma speciala de polimorfism, numita politipism, in care modificarea secventelor de stivuire a atomilor se realizeaza doar intr-o anumita directie a retelei 3D. Datorita acestei proprietati specifice care permite aproape o variatie infinita a retelei, zeci de politipuri de carbura de siliciu au fost descoperite. |
||||||
Cu toate acestea, doar trei dintre ele sunt produse deoarece sunt mai stabile. Ele sunt 6H-SiC, 4H-SiC si 3C-SiC (literele H si C se refera la simetria cristalului, H pentru hexagonal si C pentru cubic). Majoritatea proprietatilor fizice ale acestor politipuri sunt identice, cu exceptia celor electronice. Pentru dispozitivele electronice, fiecare politip are avantajele lui specifice. De exemplu, 4H este potrivit pentru puteri mari (ex. la distribuirea curentului la tensiune ridicata) si temperature mari (ex. in motoarele de masini sau avioane), in timp ce 3C este mai potrivit pentru aplicatiile in domeniul frecventelor ridicate (ex. radar).
|
||||||
|
||||||
Datorita stabilitatii termice ridicate a SiC, energia pe care o primeste materialul trebuie sa fie mare pentru a se realiza cresterea cristalografica. Ca o consecinta, tehnica utilizata pentru aceasta metoda de crestere necesita temperaturi de 2200°C . Aceasta necesitate de temperaturi ridicate face procesul de crestere foarte dificil de realizat. In plus, aceste conditii permit doar cristalizarea politipurilor hexagonale (6H si 4H), 3C fiind stabil la temperaturi joase (mai mici de 2000°C ) unde energia data atomilor nu este suficienta pentru cresterea cristalelor. |
||||||
Din acest motiv, pana in prezent nu exista cristale 3C-SiC comerciale disponibile cu o calitate suficienta pentru aplicatiile electronice, in timp ce cristalele 4H si 6H de calitate ridicata pot fi achizitionate de la diferite companii.
|
||||||
| Cresterea cristalografica a politipului SiC cubic | ||||||
Doua punctecruciale trebuie sa fie rezolvate pentru a sintetiza cristalele 3C-SiC utilizate in aplicatiile electronice: |
||||||
1)
a gasi un germene adecvat pentru cresterea epitaxiala a 3C (din moment ce nu exista nici un cristal 3C valabil de buna calitate)
|
||||||
2) a dezvolta noi tehnici de crestere care ar putea conduce la o buna calitate cristalina a 3C (densitate de defecte mica) chiar la temperaturi joase (pentru stabilizarea 3C) |
||||||
In ceea ce priveste germenele, siliciul cristalin a fost intens studiat pentru cresterea epitaxiala a 3C , dar materialul 3C rezultat prezinta intotdeauna o calitate scazuta. Politipurile 6H si 4H pot fi folosite ca germeni pentru cresterea epitaxiala a 3C , insa straturile obtinute contin, de obicei, o densitate mare de defecte. |
||||||
Recent, noi tehnici de crestere care vizeaza politipul 3C sunt dezvoltate in Europa. Ele au demonstrat rezultate promitatoare si complementare care permit depunerea de straturi de 3C (cu o grosime de cativa μm, 10 - 6 m ) pe substrate 6H (sau 4H), in timp ce o alta metoda permite depunerea de straturi cu o grosime mai mare (de la cateva sute de μm la cativa mm) pastrand calitatea germenului 3C . |
||||||
La nivel international, nu exista concurenti reali care sa utilizeze tehnici similare, ceea ce inseamna ca Europa este in avantaj referitor la acest subiect si joaca un rol important. |
||||||
|
||||||
| Obiectivele MANSiC | ||||||
Consortium MANSiC reuneste echipe care dezvolta astfel de tehnici de crestere si laboratoare europene cu o expertiza recunoscuta international in domeniul carburii de siliciu pentru aplicatii electronice. Acest efort reunit va permite cu siguranta dezvoltarea unei filiere comerciale europene si alternative de cristale 3C-SiC cu o calitate stucturala mai buna decat produsul comercial actual. Acest material imbunatit va fi intai caracterizat si testat (de la lustruirea suprafetei la fabricarea dispozitivului) cu scopul de a fabrica dispozitive electronice noi si/sau imbunatatite. |
||||||
Un astfel de proiect de cercetare este o baza excelenta pentru a forma tineri cercetatori in domeniul fizicii solidului si stiinta materialelor. In cursul acestui proiect vor fi formati doctoranzi si tineri cercetatori care vor fi antrenati in diferite domenii: de la noi tehnici de crestere a cristalelor de SiC pana la caracterizarea materialelor semiconductoare si fabricarea dispozitivelor electronice. Vor fi organizate colocvii si scoli tematice pentru a furniza tinerilor cercetatori un pachet de cunostinte stiintific esential dandu-le oportunitatea de a-si prezenta rezultatele comunitatii stiintifice. |
||||||
