Историјата на развојот на 3C SiC

Како важна форма насилициум карбид, историјата на развојот на3C-SiCго одразува континуираниот напредок на науката за полупроводнички материјали. Во 1980-тите, Нишино и сор. најпрво се добиени 4um 3C-SiC тенки фолии на силициумски подлоги со хемиско таложење на пареа (CVD) [1], што ја постави основата за технологијата на тенок филм 3C-SiC.

1990-тите беа златното доба на истражувањето на SiC. Cree Research Inc. лансираше чипови 6H-SiC и 4H-SiC во 1991 и 1994 година, соодветно, промовирајќи ја комерцијализацијата наSiC полупроводнички уреди. Технолошкиот напредок во овој период ги постави темелите за последователно истражување и примена на 3C-SiC.

Во почетокот на 21 век,домашни тенки фолии SiC на база на силиконисто така се разви до одреден степен. Је Жижен и сор. подготви силикон-базирани SiC тенки фолии со CVD под услови на ниска температура во 2002 година [2]. Во 2001 година, Ан Ксиа и сор. подготвени тенки фолии на SiC на база на силикон со магнетронско распрскување на собна температура [3].

Сепак, поради големата разлика помеѓу константата на решетката на Si и онаа на SiC (околу 20%), густината на дефектот на епитаксијалниот слој 3C-SiC е релативно висока, особено на двојниот дефект како што е DPB. Со цел да се намали неусогласеноста на решетката, истражувачите користат 6H-SiC, 15R-SiC или 4H-SiC на површината (0001) како подлога за растење на 3C-SiC епитаксијален слој и намалување на густината на дефектот. На пример, во 2012 година, Секи, Казуаки и сор. ја предложи технологијата за контрола на динамичната полиморфна епитаксија, која го реализира полиморфниот селективен раст на 3C-SiC и 6H-SiC на површинското семе 6H-SiC (0001) со контролирање на презаситеноста [4-5]. Во 2023 година, истражувачите како Џун Ли го користеа CVD методот за да го оптимизираат растот и процесот и успешно добија мазен 3C-SiCепитаксијален слојбез DPB дефекти на површината на 4H-SiC подлога со стапка на раст од 14um/h[6].

Кристална структура и полиња на примена на 3C SiC

Меѓу многуте политипови SiCD, 3C-SiC е единствениот кубен политип, познат и како β-SiC. Во оваа кристална структура, атомите Si и C постојат во сооднос еден спрема еден во решетката, и секој атом е опкружен со четири хетерогени атоми, формирајќи тетраедрална структурна единица со силни ковалентни врски. Структурната карактеристика на 3C-SiC е тоа што Si-C дијатомските слоеви се постојано распоредени по редослед на ABC-ABC-…, и секоја единица клетка содржи три такви дијатомски слоеви, што се нарекува C3 репрезентација; кристалната структура на 3C-SiC е прикажана на сликата подолу:

Слика 1 Кристална структура на 3C-SiC

Во моментов, силиконот (Si) е најчесто користениот полупроводнички материјал за уреди за напојување. Сепак, поради перформансите на Si, уредите за напојување базирани на силикон се ограничени. Во споредба со 4H-SiC и 6H-SiC, 3C-SiC има највисока теоретска подвижност на електрони на собна температура (1000 cm·V-1·S-1) и има повеќе предности во апликациите на MOS уредите. Во исто време, 3C-SiC има и одлични својства како што се висок пробивен напон, добра топлинска спроводливост, висока цврстина, широк опсег, отпорност на висока температура и отпорност на зрачење. Затоа, има голем потенцијал во електрониката, оптоелектрониката, сензорите и апликациите под екстремни услови, промовирајќи го развојот и иновациите на сродни технологии и покажувајќи широк апликативен потенцијал во многу области:

Прво: Особено во средини со висок напон, висока фреквенција и висока температура, високиот пробивен напон и високата подвижност на електроните на 3C-SiC го прават идеален избор за производство на моќни уреди како MOSFET [7]. Второ: Примената на 3C-SiC во наноелектрониката и микроелектромеханичките системи (MEMS) има корист од неговата компатибилност со силиконската технологија, овозможувајќи производство на структури од нано размери како што се наноелектрониката и наноелектромеханичките уреди [8]. Трето: Како полупроводнички материјал со широк опсег, 3C-SiC е погоден за производство насини диоди што емитуваат светлина(ЛЕД диоди). Неговата примена во осветлувањето, технологијата за прикажување и ласерите привлече внимание поради неговата висока прозрачна ефикасност и лесен допинг [9]. Четврто: Во исто време, 3C-SiC се користи за производство на детектори чувствителни на позиција, особено детектори чувствителни на позиција на ласерски точки базирани на страничниот фотоволтаичен ефект, кои покажуваат висока чувствителност во услови на нулта пристрасност и се погодни за прецизно позиционирање [10] .

3. Начин на подготовка на 3C SiC хетероепитакси

Главните методи на раст на 3C-SiC хетероепитаксијата вклучуваатхемиско таложење на пареа (CVD), сублимациска епитаксија (SE), течна фаза епитаксија (LPE), епитаксија со молекуларен сноп (MBE), прскање со магнетрон, итн. CVD е претпочитан метод за 3C-SiC епитаксија поради неговата контролираност и приспособливост (како температура, проток на гас, притисок во комората и време на реакција, што може да го оптимизира квалитетот на епитаксијален слој).

Хемиско таложење на пареа (CVD): Соединен гас кој содржи Si и C елементи се пренесува во комората за реакција, се загрева и се распаѓа на висока температура, а потоа атомите на Si и C атомите се таложат на подлогата Si, или 6H-SiC, 15R- SiC, 4H-SiC супстрат [11]. Температурата на оваа реакција обично е помеѓу 1300-1500℃. Вообичаените извори на Si вклучуваат SiH4, TCS, MTS итн., а изворите на C главно вклучуваат C2H4, C3H8 итн., со H2 како гас-носител. Процесот на раст главно ги вклучува следните чекори: 1. Изворот на реакција на гасната фаза се транспортира до зоната на таложење во главниот проток на гас. 2. Реакцијата на гасната фаза се јавува во граничниот слој за да се генерираат прекурсори и нуспроизводи на тенок филм. 3. Процесот на таложење, адсорпција и пукање на претходникот. 4. Адсорбираните атоми мигрираат и реконструираат на површината на подлогата. 5. Адсорбираните атоми се јадрени и растат на површината на подлогата. 6. Масовниот транспорт на отпадниот гас по реакцијата во главната зона на проток на гас и се вади од комората за реакција. Слика 2 е шематски дијаграм на CVD [12].

Слика 2 Шематски дијаграм на CVD

Метод на сублимација епитаксија (SE): Слика 3 е експериментален структурен дијаграм на SE методот за подготовка на 3C-SiC. Главните чекори се разградување и сублимација на изворот на SiC во зоната на висока температура, транспортирање на сублиматите и реакција и кристализација на сублиматите на површината на подлогата на пониска температура. Деталите се следни: 6H-SiC или 4H-SiC супстрат се поставува на врвот на садот, иSiC прашок со висока чистотасе користи како суровина SiC и се става на дното награфитен сад. Распоредот се загрева до 1900-2100℃ со радиофреквентна индукција, а температурата на подлогата се контролира да биде пониска од изворот на SiC, формирајќи аксијален температурен градиент во внатрешноста на садот, така што сублимираниот SiC материјал може да се кондензира и кристализира на подлогата за да се формира 3C-SiC хетероепитаксија.

Предностите на сублимациската епитаксија се главно во два аспекта: 1. Температурата на епитаксичноста е висока, што може да ги намали дефектите на кристалите; 2. Може да се гравира за да се добие гравирана површина на атомско ниво. Меѓутоа, за време на процесот на раст, изворот на реакција не може да се прилагоди, а односот силикон-јаглерод, времето, различните секвенци на реакции итн. не може да се променат, што резултира со намалување на контролираноста на процесот на раст.

Слика 3 Шематски дијаграм на SE метод за растење на 3C-SiC епитаксијата

Молекуларната епитаксија со зрак (MBE) е напредна технологија за растење на тенок слој, која е погодна за одгледување 3C-SiC епитаксијални слоеви на 4H-SiC или 6H-SiC подлоги. Основниот принцип на овој метод е: во средина со ултра висок вакуум, преку прецизна контрола на изворниот гас, елементите на растечкиот епитаксијален слој се загреваат за да формираат насочен атомски зрак или молекуларен зрак и да се спуштат на загреаната површина на подлогата за епитаксијален раст. Вообичаени услови за одгледување на 3C-SiCепитаксијални слоевина супстратите 4H-SiC или 6H-SiC се: во услови богати со силикон, изворите на графен и чист јаглерод се возбудуваат во гасовити материи со електронски пиштол, а 1200-1350℃ се користи како температура на реакцијата. 3C-SiC хетероепитаксијалниот раст може да се добие со стапка на раст од 0,01-0,1 nms-1 [13].

Заклучок и перспектива

Преку континуиран технолошки напредок и длабинско истражување на механизмите, се очекува хетероепитаксијалната технологија 3C-SiC да игра поважна улога во индустријата за полупроводници и да го промовира развојот на електронски уреди со висока ефикасност. На пример, продолжувањето на истражувањето на новите техники и стратегии за раст, како што е воведувањето на атмосферата на HCl за да се зголеми стапката на раст додека се одржува мала густина на дефектот, е насоката на идните истражувања; длабинско истражување на механизмот за формирање дефекти и развој на понапредни техники за карактеризација, како што се анализа на фотолуминисценција и катодолуминисценција, за да се постигне попрецизна контрола на дефектите и оптимизирање на својствата на материјалот; брзиот раст на висококвалитетниот дебел филм 3C-SiC е клучот за задоволување на потребите на уредите со висок напон, а потребни се дополнителни истражувања за да се надмине рамнотежата помеѓу стапката на раст и униформноста на материјалот; во комбинација со примената на 3C-SiC во хетерогени структури како што се SiC/GaN, истражете ги неговите потенцијални апликации во нови уреди како електроника за напојување, оптоелектронска интеграција и квантна обработка на информации.

Референци:

[1] Нишино С, Хазуки И, Мацунами Х, и сор. Хемиско таложење на пареа на единечни кристални β-SiC филмови на силиконска подлога со распрскан SiC среден слој[J]. Весник на Електрохемиското друштво, 1980, 127(12):2674-2680.

[2] Ye Zhizhen, Wang Yadong, Huang Jingyun и сор. .

[3] An Xia, Zhuang Huizhao, Li Huaixiang, et al ..

[4] Секи К, Александар, Козава С, и др. Политип-селективен раст на SiC со контрола на презаситеност при раст на растворот[J]. Весник на кристален раст, 2012, 360: 176-180.

[5] Чен Јао, Жао Фучијанг, Жу Бингксиан, Хе Шуаи Преглед на развојот на силициум карбидните уреди дома и во странство [Ј] Технологија на возила и енергија, 2020 година.

[6] Li X, Wang G. CVD раст на 3C-SiC слоеви на 4H-SiC супстрати со подобрена морфологија[J]. Solid State Communications, 2023:371.

[7] Hou Kaiwen Истражување на подлогата со моделот Si и неговата примена во 3C-SiC раст [D].

[8]Ларс, Хилер, Томас и сор. Ефекти на водород во ECR-офорт на 3C-SiC(100) Mesa Structures[J]. Форум за наука за материјали, 2014 година.

[9] Ксу Кингфанг Подготовка на 3C-SiC тенки фолии со ласерско хемиско таложење на пареа [D].

[10] Foisal A R M, Nguyen T, Dinh T K, et al.3C-SiC/Si Хетероструктура: Одлична платформа за детектори чувствителни на положба врз основа на фотоволтаичен ефект[J]. Acs Applied Materials & Interfaces, 2019: 40987.

[11] 3C/4H-SiC хетероепитаксијален раст врз основа на CVD: карактеризација и еволуција на дефекти [D].

[12] Технологија на епитаксијален раст со повеќе обланди и карактеризација на силициум карбид со голема површина [D].

[13] Диани М, Сајмон Л, Кублер Л и др. Растење на кристали на политип 3C-SiC на супстрат 6H-SiC(0001)[J]. Весник на кристален раст, 2002, 235 (1): 95-102.