不同碳化硅晶体面带来的可能性

  对于非立方晶体，它们天生具有各向异性，即不同方向具有不同的性质。以碳化硅晶体面为例：

• 4H-SIC和6H-SIC的空间群是P63mc，点群是6mm。两者都属于六方晶系，具有各向异性。
• 3C-SIC的空间群是F-43m，点群是-43m。它属于立方晶系，不具有各向异性。
• 15R-SIC的空间群是R3m，点群是3m。它属于三方晶系，具有各向异性。

  此外，6mm和3m属于10个极性点群（1、2、3、4、6、m、3m、mm2、4mm、6mm）之一，因此4H-SIC、6H-SIC、15R-SIC是极性晶体。极性晶体意味着晶体中至少一个方向与相反方向具有不同的性质，可以是电学性质（热电性质、铁电性质），生长性质等。总之，在同一个方向上，正负之间会存在性能差异。

  各向异性的表现会直接体现在不同晶面不同的性质上。在晶体中，不同碳化硅晶体面由晶面指数的差异来表示。晶面指数也称为米勒指数，是（hkl）。

  具体表示方法是：建立晶体的坐标系，该晶面的截距和坐标轴将是a、b、c，然后取截距的倒数1/a、1/b、1/c，化简为最简整数比，即（hkl）。对于三方和六方晶系的晶体，（hkl） = (hkil)，i=-h-k。但是，根据晶体的对称性，会存在一系列相同的碳化硅晶体面。例如，（100）和（200）只是没有化简为最简整数比。

各向异性具有许多应用：

  不同方向的籽晶生长性质差异很大。以（0001）晶面为参考，偏转一定角度（步流）的晶片更容易生长碳化硅。
  电性质也存在巨大差异。例如，硅碳晶面（0-33-8）用于制备碳化硅MOSFET。由于其界面态密度较低、自由电子比例较高，在所有掺杂浓度下表面的通道迁移率最高。
  如图所示，当使用掺杂浓度为10¹⁸/cm3时，可以达到高达60cm²V^-1s^-1的通道迁移率和高达4V的阈值电压。该电压足以在高温下抑制误启动，高于（0001）晶面。

  图片中还包含一个立体图，显示了b112N和b110N型晶体取向之间的30°角。这表明，金刚石和碳化硅晶体相互旋转30°，使得一个晶体的b112N方向与另一个晶体的b110N方向对齐。

  利用这一特性，一家日本公司开发了一种新的 SiC MOSFET 结构。它有一个 V 形槽，使用 (0-33-8) 晶面，因此具有更高的迁移率性能。

  4H-SiC 的 (0-33-8) 晶面与 (0001) 晶面形成 54.7 度的偏角。

  三方和六方晶系的晶胞参数为a和c，晶面(h1k111) (h2k212)的计算方法如下：
$$\cos \varphi =\frac{h_1{h}_2+k_1{k}_2+\frac{1}{2}(h_1{k}_2+h_2{k}_1)+\frac{3a^2}{4c^2}{l}_1{l}_2}{\sqrt{\left(h_1^2+k_1^2+h_1{k}_1+\frac{3a^2}{4c^2}{l}_1^2\right)\left(h_2^2+k_2^2+h_2{k}_2+\frac{3d^2}{4c^2}{l}_2^2\right)}}$$
  制造该设备的关键是使用化学蚀刻工艺形成 V 形沟槽。使用二氧化硅作为蚀刻掩模，在约 900°C 的氯气氛中进行蚀刻。

• 首先将未蚀刻的表面氧化为二氧化硅，
• 氯气与表面的碳化硅反应生成碳，然后与氧气反应生成二氧化碳；
• 生成的硅氯化物和二氧化碳在高温下挥发，露出 (0-33-8) 晶面。

  注意：不能使用离子蚀刻。虽然离子蚀刻是形成 U 形沟槽的一般方法，但会导致蚀刻损坏和子沟槽的形成。

  通过扫描电子显微镜的图像，可以看到化学蚀刻已获得高质量的晶面。