3C SiC arengulugu

Olulise vorminaränikarbiid, arengulugu3C-SiCpeegeldab pooljuhtide materjaliteaduse pidevat arengut. 1980. aastatel Nishino jt. esmakordselt saadi 4um 3C-SiC õhukesed kiled ränisubstraatidel keemilise aurustamise teel (CVD) [1], mis pani aluse 3C-SiC õhukese kile tehnoloogiale.

1990. aastad oli ränidioksiidi uurimise kuldaeg. Cree Research Inc. tõi turule 6H-SiC ja 4H-SiC kiibid vastavalt 1991. ja 1994. aastal, edendadesSiC pooljuhtseadmed. Selle perioodi tehnoloogiline areng pani aluse 3C-SiC edasisele uurimistööle ja rakendamisele.

21. sajandi alguseskodumaised ränipõhised SiC õhukesed kiledka teatud määral arenenud. Ye Zhizhen et al. valmistas ränipõhiseid SiC õhukesi kilesid CVD abil madalal temperatuuril 2002. aastal [2]. 2001. aastal avaldasid An Xia jt. valmistas ränipõhiseid SiC õhukesi kilesid magnetroni pihustamisega toatemperatuuril [3].

Kuid Si ja SiC võrekonstandi (umbes 20%) vahelise suure erinevuse tõttu on 3C-SiC epitaksiaalse kihi defektide tihedus suhteliselt kõrge, eriti kaksikdefekt, näiteks DPB. Võre mittevastavuse vähendamiseks kasutavad teadlased substraadina (0001) pinnal 6H-SiC, 15R-SiC või 4H-SiC, et kasvatada 3C-SiC epitaksiaalset kihti ja vähendada defektide tihedust. Näiteks 2012. aastal Seki, Kazuaki jt. pakkus välja dünaamilise polümorfse epitaksia juhtimistehnoloogia, mis teostab 3C-SiC ja 6H-SiC polümorfset selektiivset kasvu 6H-SiC (0001) pinnaseemnel, kontrollides üleküllastust [4-5]. 2023. aastal kasutasid sellised teadlased nagu Xun Li kasvu ja protsessi optimeerimiseks CVD meetodit ning saavutasid edukalt sujuva 3C-SiC.epitaksiaalne kihtilma DPB defektideta pinnal 4H-SiC substraadil kasvukiirusel 14 um/h[6].

3C SiC kristallstruktuur ja kasutusvaldkonnad

Paljude SiCD polütüüpide hulgas on 3C-SiC ainus kuuppolütüüp, tuntud ka kui β-SiC. Selles kristallstruktuuris eksisteerivad Si ja C aatomid võres üks-ühele vahekorras ja iga aatomit ümbritseb neli heterogeenset aatomit, moodustades tugevate kovalentsete sidemetega tetraeedrilise struktuuriüksuse. 3C-SiC struktuurne tunnus seisneb selles, et Si-C kaheaatomilised kihid on järjestatud korduvalt järjekorras ABC-ABC-… ja iga ühikrakk sisaldab kolme sellist kaheaatomilist kihti, mida nimetatakse C3 esituseks; 3C-SiC kristallstruktuur on näidatud alloleval joonisel:

Joonis 1 3C-SiC kristallstruktuur

Praegu on räni (Si) toiteseadmetes kõige sagedamini kasutatav pooljuhtmaterjal. Kuid Si jõudluse tõttu on ränipõhised toiteseadmed piiratud. Võrreldes 4H-SiC ja 6H-SiC-ga on 3C-SiC toatemperatuuril kõrgeim teoreetiline elektronide liikuvus (1000 cm·V-1·S-1) ja sellel on rohkem eeliseid MOS-seadmete rakendustes. Samal ajal on 3C-SiC-l ka suurepärased omadused, nagu kõrge läbilöögipinge, hea soojusjuhtivus, kõrge kõvadus, lai ribalaius, kõrge temperatuurikindlus ja kiirguskindlus. Seetõttu on sellel suur potentsiaal elektroonikas, optoelektroonikas, andurites ja rakendustes äärmuslikes tingimustes, edendades sellega seotud tehnoloogiate arendamist ja innovatsiooni ning näidates laialdast kasutuspotentsiaali paljudes valdkondades:

Esiteks: eriti kõrgepinge, kõrge sagedusega ja kõrge temperatuuriga keskkondades muudavad 3C-SiC kõrge läbilöögipinge ja elektronide suur liikuvus ideaalseks valikuks toiteseadmete, näiteks MOSFETi tootmiseks [7]. Teiseks: 3C-SiC kasutamine nanoelektroonikas ja mikroelektromehaanilistes süsteemides (MEMS) saab kasu selle ühilduvusest ränitehnoloogiaga, võimaldades toota nanomõõtmelisi struktuure, nagu nanoelektroonika ja nanoelektromehaanilised seadmed [8]. Kolmandaks: 3C-SiC sobib laia ribalaiusega pooljuhtmaterjalinasinised valgusdioodid(LED-id). Selle kasutamine valgustuses, kuvatehnoloogias ja laserites on pälvinud tähelepanu tänu oma suurele valgusefektiivsusele ja hõlpsale dopingule [9]. Neljandaks: samal ajal kasutatakse 3C-SiC-d asenditundlike detektorite, eriti külgsuunalisel fotogalvaanilisel efektil põhinevate laserpunktide asukohatundlike detektorite tootmiseks, mis näitavad kõrget tundlikkust nullnihke tingimustes ja sobivad täpseks positsioneerimiseks [10] .

3. 3C SiC heteroepitaksia valmistamise meetod

3C-SiC heteroepitaksia peamised kasvumeetodid hõlmavadkeemiline aurustamine-sadestamine (CVD), sublimatsiooni epitaksia (SE), vedelfaasi epitaksia (LPE), molekulaarkiirepitaksia (MBE), magnetroni pihustamine jne. CVD on 3C-SiC epitakseerimise eelistatud meetod selle juhitavuse ja kohanemisvõime tõttu (näiteks temperatuur, gaasivool, kambri rõhk ja reaktsiooniaeg, mis võib optimeerida epitaksiaalne kiht).

Keemiline aurustamine-sadestamine (CVD): Si- ja C-elemente sisaldav liitgaas juhitakse reaktsioonikambrisse, kuumutatakse ja laguneb kõrgel temperatuuril ning seejärel sadestatakse Si-substraadile Si-substraadile või 6H-SiC, 15R- SiC, 4H-SiC substraat [11]. Selle reaktsiooni temperatuur on tavaliselt vahemikus 1300-1500 ℃. Tavaliste Si allikate hulka kuuluvad SiH4, TCS, MTS jne ja C allikad hõlmavad peamiselt C2H4, C3H8 jne, kusjuures H2 on kandegaas. Kasvuprotsess koosneb peamiselt järgmistest etappidest: 1. Gaasifaasi reaktsiooniallikas transporditakse põhigaasivoos sadestusalasse. 2. Piirkihis toimub gaasifaasi reaktsioon, mille käigus tekivad õhukese kile prekursorid ja kõrvalsaadused. 3. Prekursori sadestumine, adsorptsiooni ja krakkimise protsess. 4. Adsorbeeritud aatomid migreeruvad ja rekonstrueerivad substraadi pinnal. 5. Adsorbeeritud aatomid tuumastuvad ja kasvavad substraadi pinnal. 6. Heitgaasi massiline transport pärast reaktsiooni gaasi põhivoolutsooni ja viiakse reaktsioonikambrist välja. Joonisel 2 on CVD skemaatiline diagramm [12].

Joonis 2 CVD skemaatiline diagramm

Sublimatsiooniepitaksia (SE) meetod: joonisel 3 on kujutatud 3C-SiC valmistamise SE meetodi eksperimentaalne struktuuriskeem. Peamised etapid on kõrge temperatuuriga tsoonis oleva SiC allika lagunemine ja sublimatsioon, sublimaatide transportimine ning substraadi pinnale madalamal temperatuuril sublimaatide reaktsioon ja kristalliseerumine. Üksikasjad on järgmised: 6H-SiC või 4H-SiC substraat asetatakse tiigli ülaosale jakõrge puhtusastmega SiC pulberkasutatakse SiC toorainena ja asetatakse selle põhjagrafiidist tiigel. Tiiglit kuumutatakse raadiosagedusliku induktsiooni abil temperatuurini 1900–2100 ℃ ja substraadi temperatuuri reguleeritakse madalamaks kui SiC allikas, moodustades tiigli sees aksiaalse temperatuurigradiendi, nii et sublimeeritud SiC materjal saab aluspinnal kondenseeruda ja kristalliseeruda. moodustada 3C-SiC heteroepitaksiaalne.

Sublimatsiooniepitaksia eelised seisnevad peamiselt kahes aspektis: 1. Epitaksia temperatuur on kõrge, mis võib vähendada kristallide defekte; 2. Seda saab söövitada, et saada aatomitasandil söövitatud pind. Kasvuprotsessi ajal ei saa aga reguleerida reaktsiooni allikat ning muuta räni-süsiniku suhet, aega, erinevaid reaktsioonijadasid jms, mille tulemusena väheneb kasvuprotsessi juhitavus.

Joonis 3 SE meetodi skemaatiline diagramm 3C-SiC epitaksia kasvatamiseks

Molecular beam epitaxy (MBE) on täiustatud õhukese kile kasvutehnoloogia, mis sobib 3C-SiC epitaksiaalsete kihtide kasvatamiseks 4H-SiC või 6H-SiC substraatidel. Selle meetodi põhiprintsiip on: ülikõrge vaakumkeskkonnas kuumutatakse kasvava epitaksiaalse kihi elemente lähtegaasi täpse juhtimise kaudu, et moodustada suunatud aatomkiir või molekulaarkiir ja langeda kuumutatud substraadi pinnale. epitaksiaalne kasv. Üldised tingimused 3C-SiC kasvatamiseksepitaksiaalsed kihid4H-SiC või 6H-SiC substraatidel on: ränirikastes tingimustes ergastatakse grafeen ja puhas süsinikuallikad elektronpüstoliga gaasilisteks aineteks ning reaktsioonitemperatuurina kasutatakse 1200-1350 ℃. 3C-SiC heteroepitaksiaalset kasvu saab saavutada kasvukiirusel 0,01-0,1 nms-1 [13].

Järeldus ja väljavaade

Tänu pidevale tehnoloogilisele arengule ja põhjalikele mehhanismide uurimisele hakkab 3C-SiC heteroepitaksiaaltehnoloogia mängima pooljuhtide tööstuses olulisemat rolli ja edendama kõrge efektiivsusega elektroonikaseadmete arendamist. Näiteks uute kasvutehnikate ja -strateegiate uurimise jätkamine, nagu HCl atmosfääri kasutuselevõtt, et suurendada kasvukiirust, säilitades samal ajal madala defektide tiheduse, on tulevaste uuringute suund; põhjalikud uuringud defektide tekkemehhanismi kohta ja täiustatud iseloomustustehnikate, näiteks fotoluminestsents- ja katodoluminestsentsanalüüsi väljatöötamine, et saavutada täpsem defektide kontroll ja optimeerida materjali omadusi; kvaliteetse paksu kile 3C-SiC kiire kasv on kõrgepingeseadmete vajaduste rahuldamise võti ning kasvukiiruse ja materjali ühtluse vahelise tasakaalu ületamiseks on vaja täiendavaid uuringuid; koos 3C-SiC kasutamisega heterogeensetes struktuurides, nagu SiC / GaN, uurige selle potentsiaalseid rakendusi uutes seadmetes, nagu jõuelektroonika, optoelektrooniline integratsioon ja kvantteabe töötlemine.

Viited:

[1] Nishino S , Hazuki Y , Matsunami H jt. Üksikkristalliliste β-SiC kilede keemiline aurude sadestamine pihustatud ränikarbiidi vahekihiga ränisubstraadile [J]. Journal of The Electrochemical Society, 1980, 127(12):2674-2680.

[2] Ye Zhizhen, Wang Yadong, Huang Jingyun jt ränipõhiste ränikarbiidi õhukeste kilede kasvu uurimine madalal temperatuuril [J] Journal of Vacuum Science and Technology, 2002, 022(001):58-60. .

[3] An Xia, Zhuang Huizhao, Li Huaixiang jt Nano-SiC õhukeste kilede valmistamine (111) Si substraadil [J] Journal of Shandong Normal University: Natural Science Edition, 2001: 382-384 ..

[4] Seki K, Alexander, Kozawa S jt. SiC polütüübi-selektiivne kasv lahuse kasvu üleküllastuse kontrolliga [J]. Journal of Crystal Growth, 2012, 360:176-180.

[5] Chen Yao, Zhao Fuqiang, Zhu Bingxian, He Shuai Ülevaade ränikarbiidi jõuseadmete arendamisest kodu- ja välismaal [J], 2020: 49–54.

[6] Li X, Wang G. 3C-SiC kihtide CVD kasv täiustatud morfoloogiaga 4H-SiC substraatidel[J].Solid State Communications, 2023:371.

[7] Hou Kaiwen Si mustriga substraadi uurimine ja selle kasutamine 3C-SiC kasvus [D], 2018.

[8] Lars, Hiller, Thomas jt. Vesiniku efektid 3C-SiC(100) Mesa struktuuride ECR-Söövitamisel[J].Materials Science Forum, 2014.

[9] Xu Qingfang 3C-SiC õhukeste kilede valmistamine keemilise aurustamise teel [D], 2016.

[10] Foisal A R M, Nguyen T, Dinh T K, et al.3C-SiC/Si Heterostruktuur: suurepärane platvorm fotogalvaanilisel efektil põhinevate asukohatundlike detektorite jaoks[J].ACS Applied Materials & Interfaces, 2019: 40987.

[11] Xin Bin 3C/4H-SiC heteroepitaksiaalne kasv, mis põhineb CVD protsessil: defektide iseloomustus ja evolutsioon [D].

12

[13] Diani M, Simon L, Kubler L jt. 3C-SiC polütüübi kristallide kasv 6H-SiC(0001) substraadil [J]. Journal of Crystal Growth, 2002, 235(1):95-102.