碳化硅的极性面

常用的4H-SiC和6H-SiC的空间群都是P63mc，可以一眼看出点群是6mm。6mm属于10个极性点群（1，2，3，4，6；m，3m；mm2，4mm，6mm）中的一个，所以4H-SiC和6H-SiC是极性晶体。所谓极性晶体，是指一块晶体中至少有一个方向与其相反方向具有不同的性能，可以是电性能（热电性能、铁电性能）、生长性能等。

根据纽曼定律：物理性质的对称性要高于晶体的对称性。这种不对称的极性，是由于晶体内部微观的电偶极子在这个方向取向一致或趋于一致，没有相互抵消。这个方向被称为极轴，而极轴对应晶面为极性面。

首先影响的是生长。极性晶体的极性面的生长速率是不同的，一般正极性面的生长速度要大于负极性面。值得注意的事情是，一个晶体可以有多个极性方向、多组极性面。

而生长继续影响性能。SiC器件一般采用硅面进行外延生长，其衬底的底面是碳极性面。事实上，在文献王翎的N型SiC极性面对欧姆接触性质的影响中提到，用不同极性面外延不同的材料会表现出不同的性质。

碳化硅极性的计算

首先从原理上看晶体的极性面。

如果根据该cif文件确定晶向，通过R0=1.883、原子序数分别为14/6，带入原子坐标可得[SiC4]四面体偶极矩主要为沿-c轴方向。而偶极矩方向是负极指向正极，那可以对应Si面为（000-1），C面为（0001）。

注：R0源于文献Bond-Valence Parameters for Solids和Bond-Valence Parameters Obtained from a Systematic Analysis of the Inorganic Crystal Structure Database。

但是, 

定义：硅四面体中Si原子的一个化学键的取向<0001>对应的晶面为Si面，碳四面体中C原子的一个化学键的取向<000-1>对应的晶面为C面。

从c方向的垂直面将该方向的Si-C键分开，Si的面就是硅面，C的面就是碳面。

Si面为（0001），C面为（000-1）。

毕竟Cif文件的坐标系只需要转一下就行。

由此，晶面图如下：

标准晶圆就是（0001）有几度偏角指向（11-20）。偏角用于台阶流生长碳化硅。如果生长其他的，比如GaN，可以无偏角。

切割前的定向也就是确定<0001><11-20><1-100>三个方向。

极性面的测定

实际上极性面的测定，还是用各种仪器寻找两个面的不同。侵蚀法测定碳化硅结构极性的研究有相关介绍。

第一，X射线反常吸收法没法用来判断。X射线反常吸收法对于InSb、GaAs是可行的，但因碳和硅原子序数低，难以得到吸收限对应的波长，而难以应用。

第二，晶体生长形没法用来判断。有时整炉SiC生成一面大而平，另一面为曲面楔形的晶片。生长形主要受到外界生长条件的影响，曲面主要是由于热侵蚀产生的。曲面和平面的朝向十分规则，平面朝向低温区，曲面朝向高温区。

侵蚀法可以用来测定。

根据金刚石与熔融碱不起反应，而硅能与熔融碱发生反应的事实，可以认为不怎么腐蚀的面为碳面，被腐蚀的面为硅面。熔融氢氧化钾，在温度为600-800℃下侵蚀10分钟后取出水洗，可原子力显微镜观察。两面均可能出现蚀坑，形状一般为六角形，但两面蚀坑深度与线度（对角线长）之比不同：大的为硅面，小的是碳面。此方法的缺点是对晶片两表面造成至少40um的损伤，腐蚀后的晶片要重新进行抛光才可再利用，且高达500摄氏度的熔融态的KOH不但对晶片破坏率大，以及开放状态下的熔融态强碱对操作人员有潜在的危险。

抛光过程中的腐蚀也被提出用来进行测定，但是最好进行一定的测量系统分析，文献结果互相冲突。CN201310610814.2一种辨别碳化硅晶片硅碳面的方法提到同样抛光的两个面：若显示出的粗糙度数值在0.10~0.50nm之间，则所测试的表面为硅面；若显示出的粗糙度在0.80~3.00nm之间，则所测试的表面为碳面。也就是说碳面粗糙度更高，划痕更多更深。但是，SiC（0001）面和（000-1）面CMP抛光对比研究中指出，抛光后，硅面粗糙度大于碳面。硅面显示出的粗糙度数值在0.2~2.0nm之间；碳面显示出的粗糙度在0.1~0.3nm之间，则所测试的表面为碳面。

但是，有趣的事情是可以采用抛光速率鉴定极性面，这个也有文献冲突。6H-SiC（0001）面和（000- 1）面CMP抛光对比研究中指出，采用采用 pH 值为10.38和1.11的改性硅溶胶抛光液进行抛光，均有碳面的去除速度高于硅面；而且都是酸性抛光液去除速率快。山东大学研究得出硅面材料去除速率最高，m面、a面次高，而碳面材料去除速率最低且几乎为零的结论。

事实上，极性还可能表现出铁电、热电等性能，这些说不定也可以被使用。

极性面的标记

极性面生长加工过程是可以保持的。所以，要做好记号。目前常用来区分碳硅面的方法是在碳化硅单晶滚圆后对晶锭进行两次定向，加工出两个大小不同的直面，称为主副参考面，切片后按主副参考面的排序确定碳硅面。但是这种方法存在两个缺点，一是为了区分主副参考面，通常情況下主参考面的长度较长，4英寸碳化硅单晶的主参考面就长达32.5毫米，6英寸碳化硅单晶的主参考面更是长达47.5亮米既浪费成本，降低了衬底片的可用面积，又有损晶锭。二是用带有长参考边的晶片做料晶时，对生长单晶的质量有很大影响，靠近主副参考边处容易产生缺陷聚集。再者一但晶片破裂很难通过此法辨别其极性。

有的改进为不等的标记边。CN201810016138.9一种辨别碳化硅晶片碳硅面的方法采用非对称的V形槽来标定正负极性面。或者副定位边加上激光打标。

来源：Rad聊碳化硅