Historia rozwoju 3C SIC

Jako ważna formaKrzemowy węgliek, historia rozwoju3C-SiCodzwierciedla ciągły postęp nauki o materiałach półprzewodnikowych. W latach 80. Nishino i in. po raz pierwszy uzyskano cienkie warstwy 3C-SiC o grubości 4 μm na podłożach krzemowych metodą chemicznego osadzania z fazy gazowej (CVD) [1], co położyło podwaliny pod technologię cienkowarstwowych 3C-SiC.

Lata 90. XX wieku to złoty wiek badań nad SiC. Firma Cree Research Inc. wprowadziła na rynek chipy 6H-SiC i 4H-SiC odpowiednio w 1991 i 1994 r., promując komercjalizacjęUrządzenia półprzewodnikowe SiC. Postęp technologiczny w tym okresie położył podstawę do późniejszych badań i zastosowania 3C-SIC.

Na początku XXI wiekudomowe cienkie warstwy SiC na bazie krzemurozwinięty również do pewnego stopnia. Ye Zhizhen i in. Przygotowane cienkie warstwy SIC na bazie krzemu według CVD w warunkach niskiej temperatury w 2002 r. [2]. W 2001 r. Xia i in. Przygotowane cienkie warstwa na bazie silikonu przez rozpylenie magnetronowe w temperaturze pokojowej [3].

Jednak ze względu na dużą różnicę między stałą sieci SI a SIC (około 20%) gęstość defektu warstwy epitaksjalnej 3C-SIC jest stosunkowo wysoka, szczególnie podwójna defekt, taki jak DPB. Aby zmniejszyć niedopasowanie sieci, naukowcy używają 6H-SIC, 15R-SIC lub 4H-SIC na powierzchni (0001) jako podłoża do uprawy warstwy epitaksjalnej 3C-SIC i zmniejszenia gęstości defektu. Na przykład w 2012 r. Seki, Kazuaki i in. zaproponował dynamiczną technologię kontroli epitaxii polimorficznej, która realizuje selektywny wzrost polimorficzny 3C-SIC i 6H-SIC na nasionach powierzchniowych 6H-SIC (0001) poprzez kontrolowanie przesycenia [4-5]. W 2023 r. Naukowcy tacy jak Xun Li używali metody CVD do optymalizacji wzrostu i procesu, i z powodzeniem uzyskali gładki 3C-SICWarstwa epitaksjalnabez defektów DPB na powierzchni na podłożu 4H-SIC z szybkością wzrostu 14um/h [6].

Struktura kryształu i obszary zastosowań 3C SiC

Spośród wielu politypów SiCD, 3C-SiC jest jedynym politypem sześciennym, znanym również jako β-SiC. W tej strukturze krystalicznej atomy Si i C występują w sieci w stosunku jeden do jednego, a każdy atom jest otoczony czterema heterogenicznymi atomami, tworząc czworościenną jednostkę strukturalną z silnymi wiązaniami kowalencyjnymi. Cechą strukturalną 3C-SiC jest to, że warstwy dwuatomowe Si-C są wielokrotnie ułożone w kolejności ABC-ABC-…, a każda komórka elementarna zawiera trzy takie warstwy dwuatomowe, co nazywa się reprezentacją C3; strukturę krystaliczną 3C-SiC pokazano na poniższym rysunku:

Ryc. 1 Struktura krystaliczna 3C-SIC

Obecnie krzem (SI) jest najczęściej stosowanym materiałem półprzewodników dla urządzeń energetycznych. Jednak ze względu na wydajność SI urządzenia energetyczne na bazie krzemu są ograniczone. W porównaniu z 4H-SIC i 6H-SIC 3C-SIC ma najwyższą teoretyczną mobilność elektronów w temperaturze pokojowej (1000 cm · V-1 · S-1) i ma więcej zalet w aplikacjach urządzeń MOS. Jednocześnie 3C-SIC ma również doskonałe właściwości, takie jak wysokie napięcie rozkładu, dobra przewodność cieplna, wysoka twardość, szeroka gmina, oporność na wysoką temperaturę i odporność na promieniowanie. Dlatego ma duży potencjał w elektronice, optoelektronice, czujnikach i zastosowaniach w ekstremalnych warunkach, promując rozwój i innowacje powiązanych technologii oraz wykazując szeroki potencjał zastosowania w wielu dziedzinach:

Po pierwsze: szczególnie w środowiskach wysokiego napięcia, wysokiej częstotliwości i wysokiej temperatury, wysokie napięcie przebicia i wysoka ruchliwość elektronów 3C-SiC czynią go idealnym wyborem do produkcji urządzeń zasilających, takich jak MOSFET [7]. Po drugie: zastosowanie 3C-SiC w nanoelektronice i układach mikroelektromechanicznych (MEMS) zyskuje na kompatybilności z technologią krzemową, umożliwiając wytwarzanie struktur w skali nano, takich jak nanoelektronika i urządzenia nanoelektromechaniczne [8]. Po trzecie: Jako materiał półprzewodnikowy o szerokiej przerwie wzbronionej, 3C-SiC nadaje się do produkcjiniebieskie diody elektroluminescencyjne(diody LED). Jego zastosowanie w oświetleniu, technice wyświetlaczy i laserach przyciąga uwagę ze względu na wysoką skuteczność świetlną i łatwość domieszkowania [9]. Po czwarte: Jednocześnie 3C-SiC wykorzystuje się do produkcji detektorów czułych na położenie, zwłaszcza detektorów punktowych laserowych czułych na położenie, opartych na bocznym efekcie fotowoltaicznym, które wykazują wysoką czułość w warunkach zerowego odchylenia i nadają się do precyzyjnego pozycjonowania [10] .

3. Metoda otrzymywania heteroepitaksji 3C SiC

Główne metody wzrostu heteroepitaxii 3C-SICchemiczne osadzanie pary (CVD), epitaksja sublimacyjna (SE), epitaksja w fazie ciekłej (LPE), epitaxia wiązki molekularnej (MBE), rozpylanie magnetronowe itp. CVD jest preferowaną metodą epitaxii 3C-SIC ze względu na jej kontrolę i możliwość adaptacji (takie jak temperatura, przepływ gazu, ciśnienie komory i czas reakcji, które mogą optymalizować jakość poziomu warstwa epitaksjalna).

Chemiczne odkładanie pary (CVD): Gaz złożony zawierający elementy SI i C jest przekazywane do komory reakcyjnej, ogrzewane i rozkładane w wysokiej temperaturze, a następnie atomy SI i atomy C wytrącane są na substrat SI lub 6H-SIC, 15R- SIC, podłoże 4H-SIC [11]. Temperatura tej reakcji wynosi zwykle między 1300-1500 ℃. Wspólne źródła SI obejmują SIH4, TCS, MTS itp., A źródła C obejmują głównie C2H4, C3H8 itp., Z H2 jako gazem nośnym. Proces wzrostu obejmuje głównie następujące etapy: 1. Źródło reakcji fazy gazowej jest transportowane do strefy osadzania w głównym przepływie gazu. 2. Reakcja fazy gazowej zachodzi w warstwie granicznej w celu wygenerowania cienkich prekursorów i produktów ubocznych. 3. Proces opadów, adsorpcji i pękania prekursora. 4. Adsorbowane atomy migrują i rekonstruują na powierzchni podłoża. 5. Zaadsorbowane atomy zarodkują i rosną na powierzchni podłoża. 6. Transport masowy gazu po reakcji do głównej strefy przepływu gazu i jest wyciągnięty z komory reakcji. Ryc. 2 jest schematem CVD [12].

Ryc. 2 Schemat CVD

Metoda epitaksji sublimacyjnej (SE): Figura 3 przedstawia eksperymentalny diagram struktury metody SE wytwarzania 3C-SiC. Główne etapy to rozkład i sublimacja źródła SiC w strefie wysokiej temperatury, transport sublimatów oraz reakcja i krystalizacja sublimatów na powierzchni podłoża w niższej temperaturze. Szczegóły są następujące: Podłoże 6H-SiC lub 4H-SiC umieszcza się na górze tygla iproszek o wysokiej czystościjest używany jako surowiec SiC i umieszczany na dnietygiel grafitowy. Tygiel jest podgrzewany do 1900-2100 ℃ za pomocą indukcji częstotliwości radiowej, a temperatura podłoża jest kontrolowana tak, aby była niższa niż źródło SiC, tworząc osiowy gradient temperatury wewnątrz tygla, dzięki czemu sublimowany materiał SiC może kondensować i krystalizować na podłożu tworząc heteroepitaksjalny 3C-SiC.

Zalety epitaxii sublimacji są głównie w dwóch aspektach: 1. Temperatura epitaxy jest wysoka, co może zmniejszyć wady kryształów; 2. Można go wytrawić, aby uzyskać wytrawioną powierzchnię na poziomie atomowym. Jednak podczas procesu wzrostu źródła reakcji nie można dostosować, a współczynnik węgla węglowego, czas, różne sekwencje reakcji itp. Nie można zmienić, co powoduje zmniejszenie kontrolowania procesu wzrostu.

Rycina 3 Schematyczny schemat metody SE do uprawy epitaxy 3C-SIC

Epitaksja z wiązek molekularnych (MBE) to zaawansowana technologia wzrostu cienkowarstwowego, która jest odpowiednia do hodowli warstw epitaksjalnych 3C-SiC na podłożach 4H-SiC lub 6H-SiC. Podstawowa zasada tej metody polega na tym, że w środowisku ultrawysokiej próżni, poprzez precyzyjną kontrolę gazu źródłowego, elementy rosnącej warstwy epitaksjalnej nagrzewają się, tworząc kierunkową wiązkę atomową lub wiązkę molekularną i padającą na nagrzaną powierzchnię podłoża przez wzrost epitaksjalny. Typowe warunki uprawy 3C-SiCwarstwy epitaksjalnena podłożach 4H-SiC lub 6H-SiC: w warunkach bogatych w krzem grafen i źródła czystego węgla są wzbudzane do substancji gazowych za pomocą działa elektronowego, a jako temperaturę reakcji przyjmuje się 1200-1350℃. Heterepitaksjalny wzrost 3C-SiC można uzyskać przy szybkości wzrostu 0,01-0,1 nms-1 [13].

Wniosek i perspektywa

Oczekuje się, że dzięki ciągłemu postępowi technologicznemu i dogłębnym badaniom nad mechanizmami technologia heteroepitaksyjna 3C-SiC odegra ważniejszą rolę w przemyśle półprzewodników i będzie sprzyjać rozwojowi wysokowydajnych urządzeń elektronicznych. Na przykład dalsze badanie nowych technik i strategii wzrostu, takich jak wprowadzanie atmosfery HCl w celu zwiększenia tempa wzrostu przy jednoczesnym utrzymaniu niskiej gęstości defektów, jest kierunkiem przyszłych badań; pogłębione badania nad mechanizmem powstawania defektów oraz rozwój bardziej zaawansowanych technik charakteryzacji, takich jak analiza fotoluminescencji i katodoluminescencji, w celu uzyskania bardziej precyzyjnej kontroli defektów i optymalizacji właściwości materiałów; szybki rozwój wysokiej jakości grubowarstwowego 3C-SiC jest kluczem do zaspokojenia potrzeb urządzeń wysokiego napięcia i potrzebne są dalsze badania, aby przezwyciężyć równowagę między tempem wzrostu a jednorodnością materiału; w połączeniu z zastosowaniem 3C-SiC w strukturach heterogenicznych, takich jak SiC/GaN, zbadanie jego potencjalnych zastosowań w nowych urządzeniach, takich jak energoelektronika, integracja optoelektroniczna i kwantowe przetwarzanie informacji.

Odniesienia:

[1] Nishino S, Hazuki Y, Matsunami H i in. Chemiczne osadzanie z fazy gazowej pojedynczych krystalicznych filmów β-SiC na podłożu krzemowym z napyloną warstwą pośrednią SiC [J].Journal of The Electrochemical Society, 1980, 127(12):2674-2680.

[2] Ye Zhizhen, Wang Yadong, Huang Jingyun i in.

[3] Anghia, Zhuang Huizhao, Li Huaixiang, Waiting (111) SI.

[4] Seki K, Alexander, Kozawa S i in. Selektywny pod względem politypu wzrost SiC poprzez kontrolę przesycenia we wzroście roztworu [J]. Journal of Crystal Growth, 2012, 360:176-180.

[5] Chen Yao, Zhao Fuqiang, Zhu Bingxian, Shuai.

[6] Li X, Wang G. CVD Wzrost warstw 3C-SIC na podłożach 4H-SIC z ulepszoną morfologią [J] .Solid State Communications, 2023: 371.

[7] Hou Kaiwen.

[8]Lars, Hiller, Thomas i in. Wpływ wodoru na trawienie ECR struktur Mesa 3C-SiC(100)[J].Materials Science Forum, 2014.

[9] Xu Qingfang.

[10] Foisal AR M, Nguyen T, Dinh T K i in. Heterostruktura 3C-SiC/Si: doskonała platforma dla detektorów wrażliwych na położenie w oparciu o efekt fotowoltaiczny [J].ACS Applied Materials & Interfaces, 2019: 40980-40987.

[11] Xin Bin. Wzrost heteroepitaksjalny 3C/4H-SiC w oparciu o proces CVD: charakterystyka i ewolucja defektów [D]. Uniwersytet Nauki i Technologii Elektronicznej w Xi'an.

[12] Dong Lin. Technologia wzrostu epitaksjalnego na wielu płytkach wielkopowierzchniowych i charakterystyka właściwości fizycznych węglika krzemu [D]. Uniwersytet Chińskiej Akademii Nauk, 2014.

[13] Diani M, Simon L, Kubler L, i in. Wzrost kryształowy 3C-SIC Politype na podłożu 6H-SIC (0001) [J]. Journal of Crystal Growth, 2002, 235 (1): 95-102.