Zgodovina razvoja 3C SiC

Kot pomembna oblikasilicijev karbid, zgodovina razvoja3C-SiCodraža stalen napredek znanosti o polprevodniških materialih. V osemdesetih letih prejšnjega stoletja sta Nishino et al. prvi pridobil 4um 3C-SiC tanke plasti na silicijevih substratih s kemičnim naparjevanjem (CVD) [1], kar je postavilo temelje za tehnologijo tankih plasti 3C-SiC.

Devetdeseta leta prejšnjega stoletja so bila zlata doba raziskav SiC. Cree Research Inc. je leta 1991 in 1994 lansiral čipe 6H-SiC in 4H-SiC, s čimer je spodbujal komercializacijoSiC polprevodniške naprave. Tehnološki napredek v tem obdobju je postavil temelje za nadaljnje raziskave in uporabo 3C-SiC.

V začetku 21. stoletja,domače tanke plasti SiC na osnovi silicijado določene mere tudi razvila. Ye Zhizhen et al. leta 2002 pripravil tanke plasti SiC na osnovi silicija s CVD v pogojih nizke temperature [2]. Leta 2001 sta An Xia et al. pripravljene tanke plasti SiC na osnovi silicija z magnetronskim razprševanjem pri sobni temperaturi [3].

Vendar pa je zaradi velike razlike med konstanto rešetke Si in konstanto SiC (približno 20 %) gostota napak epitaksialne plasti 3C-SiC razmeroma visoka, zlasti napake dvojčka, kot je DPB. Da bi zmanjšali neujemanje mreže, raziskovalci uporabljajo 6H-SiC, 15R-SiC ali 4H-SiC na površini (0001) kot substrat za rast epitaksialne plasti 3C-SiC in zmanjšanje gostote napak. Na primer, leta 2012 so Seki, Kazuaki et al. predlagal dinamično polimorfno epitaksijsko kontrolno tehnologijo, ki realizira polimorfno selektivno rast 3C-SiC in 6H-SiC na površinskem semenu 6H-SiC (0001) z nadzorovanjem prenasičenosti [4-5]. Leta 2023 so raziskovalci, kot je Xun Li, uporabili metodo CVD za optimizacijo rasti in procesa ter uspešno pridobili gladek 3C-SiCepitaksialni slojbrez napak DPB na površini na substratu 4H-SiC pri hitrosti rasti 14 um/h [6].

Kristalna struktura in področja uporabe 3C SiC

Med številnimi politipi SiCD je 3C-SiC edini kubični politip, znan tudi kot β-SiC. V tej kristalni strukturi atomi Si in C obstajajo v rešetki v razmerju ena proti ena in vsak atom je obdan s štirimi heterogenimi atomi, ki tvorijo tetraedrsko strukturno enoto z močnimi kovalentnimi vezmi. Strukturna značilnost 3C-SiC je, da so dvoatomske plasti Si-C večkrat razporejene v vrstnem redu ABC-ABC-… in vsaka enota celice vsebuje tri takšne dvoatomske plasti, kar se imenuje predstavitev C3; kristalna struktura 3C-SiC je prikazana na spodnji sliki:

Slika 1 Kristalna struktura 3C-SiC

Trenutno je silicij (Si) najpogosteje uporabljen polprevodniški material za napajalne naprave. Vendar pa so zaradi zmogljivosti Si napajalne naprave na osnovi silicija omejene. V primerjavi s 4H-SiC in 6H-SiC ima 3C-SiC najvišjo teoretično mobilnost elektronov pri sobni temperaturi (1000 cm·V-1·S-1) in ima več prednosti pri aplikacijah naprav MOS. Hkrati ima 3C-SiC tudi odlične lastnosti, kot so visoka prebojna napetost, dobra toplotna prevodnost, visoka trdota, širok pas, odpornost na visoke temperature in odpornost na sevanje. Zato ima velik potencial v elektroniki, optoelektroniki, senzorjih in aplikacijah v ekstremnih pogojih, pri čemer spodbuja razvoj in inovacije povezanih tehnologij ter kaže širok potencial uporabe na številnih področjih:

Prvič: zlasti v okoljih z visoko napetostjo, visoko frekvenco in visoko temperaturo je zaradi visoke prebojne napetosti in visoke mobilnosti elektronov 3C-SiC idealna izbira za proizvodnjo močnostnih naprav, kot je MOSFET [7]. Drugič: uporaba 3C-SiC v nanoelektroniki in mikroelektromehanskih sistemih (MEMS) ima koristi od njegove združljivosti s silicijevo tehnologijo, kar omogoča izdelavo nanometrskih struktur, kot so nanoelektronika in nanoelektromehanske naprave [8]. Tretjič: Kot polprevodniški material s širokim pasovnim razmakom je 3C-SiC primeren za izdelavomodre svetleče diode(LED). Njegova uporaba v razsvetljavi, zaslonski tehnologiji in laserjih je pritegnila pozornost zaradi visoke svetlobne učinkovitosti in enostavnega dopiranja [9]. Četrtič: Hkrati se 3C-SiC uporablja za izdelavo pozicijsko občutljivih detektorjev, zlasti lasersko točkovnih pozicijsko občutljivih detektorjev, ki temeljijo na lateralnem fotovoltaičnem učinku, ki kažejo visoko občutljivost pri ničelnih prednapetostih in so primerni za natančno pozicioniranje [10]. .

3. Metoda priprave 3C SiC heteroepitaksije

Glavne metode rasti 3C-SiC heteroepitaksije vključujejokemično naparjevanje (CVD), sublimacijska epitaksija (SE), tekočefazna epitaksija (LPE), epitaksija z molekularnim žarkom (MBE), magnetronsko razprševanje itd. CVD je prednostna metoda za epitaksijo 3C-SiC zaradi svoje možnosti nadzora in prilagodljivosti (kot so temperatura, pretok plina, tlak v komori in reakcijski čas, ki lahko optimizira kakovost epitaksialni sloj).

Kemično naparjevanje (CVD): Sestavljen plin, ki vsebuje elemente Si in C, se spusti v reakcijsko komoro, segreje in razgradi pri visoki temperaturi, nato pa se atomi Si in atomi C oborijo na substrat Si ali 6H-SiC, 15R- SiC, substrat 4H-SiC [11]. Temperatura te reakcije je običajno med 1300-1500 ℃. Pogosti viri Si vključujejo SiH4, TCS, MTS itd., viri C pa večinoma vključujejo C2H4, C3H8 itd., s H2 kot nosilnim plinom. Proces rasti v glavnem vključuje naslednje korake: 1. Reakcijski vir plinske faze se v glavnem toku plina transportira v območje usedanja. 2. Reakcija plinske faze poteka v mejni plasti, da nastanejo predhodniki tankih filmov in stranski produkti. 3. Proces obarjanja, adsorpcije in razpokanja predhodnika. 4. Adsorbirani atomi migrirajo in se rekonstruirajo na površini substrata. 5. Adsorbirani atomi nukleirajo in rastejo na površini substrata. 6. Masni transport odpadnega plina po reakciji v območje glavnega toka plina in se odvede iz reakcijske komore. Slika 2 je shematski diagram KVB [12].

Slika 2 Shematski diagram KVB

Metoda sublimacijske epitaksije (SE): Slika 3 je eksperimentalni strukturni diagram metode SE za pripravo 3C-SiC. Glavni koraki so razgradnja in sublimacija vira SiC v visokotemperaturnem območju, transport sublimatov ter reakcija in kristalizacija substratov na površini substrata pri nižji temperaturi. Podrobnosti so naslednje: substrat 6H-SiC ali 4H-SiC je nameščen na vrhu lončka inSiC prah visoke čistostise uporablja kot surovina SiC in se postavi na dnografitni lonček. Lonček se segreje na 1900-2100 ℃ z radiofrekvenčno indukcijo, temperatura substrata pa je nadzorovana tako, da je nižja od vira SiC, kar tvori aksialni temperaturni gradient znotraj lončka, tako da lahko sublimirani material SiC kondenzira in kristalizira na substratu. da tvori 3C-SiC heteroepitaksialno.

Prednosti sublimacijske epitaksije so predvsem v dveh vidikih: 1. Temperatura epitaksije je visoka, kar lahko zmanjša kristalne napake; 2. Lahko ga jedkamo, da dobimo jedkano površino na atomski ravni. Vendar med procesom rasti ni mogoče prilagoditi vira reakcije in ni mogoče spremeniti razmerja silicij-ogljik, časa, različnih reakcijskih zaporedij itd., kar ima za posledico zmanjšanje obvladljivosti procesa rasti.

Slika 3 Shematski diagram metode SE za gojenje 3C-SiC epitaksije

Molecular beam epitaxy (MBE) je napredna tehnologija za rast tankih filmov, ki je primerna za gojenje epitaksialnih plasti 3C-SiC na podlagah 4H-SiC ali 6H-SiC. Osnovno načelo te metode je: v okolju ultravisokega vakuuma se z natančnim nadzorom izvornega plina elementi rastoče epitaksialne plasti segrejejo, da tvorijo usmerjen atomski žarek ali molekularni žarek in vpadajo na segreto površino substrata za epitaksialna rast. Skupni pogoji za gojenje 3C-SiCepitaksialne plastina podlagah 4H-SiC ali 6H-SiC so: v pogojih, bogatih s silicijem, se viri grafena in čistega ogljika vzbujajo v plinaste snovi z elektronsko puško, kot reakcijska temperatura pa se uporablja 1200-1350 ℃. Heteroepitaksialno rast 3C-SiC lahko dosežemo s hitrostjo rasti 0,01-0,1 nms-1 [13].

Zaključek in obeti

Z nenehnim tehnološkim napredkom in poglobljenimi raziskavami mehanizmov naj bi heteroepitaksialna tehnologija 3C-SiC igrala pomembnejšo vlogo v industriji polprevodnikov in spodbujala razvoj visoko učinkovitih elektronskih naprav. Na primer, nadaljevanje raziskovanja novih tehnik in strategij rasti, kot je uvedba atmosfere HCl za povečanje stopnje rasti ob ohranjanju nizke gostote napak, je smer prihodnjih raziskav; poglobljene raziskave o mehanizmu nastanka napak in razvoj naprednejših tehnik karakterizacije, kot sta fotoluminiscenčna in katodoluminiscenčna analiza, da bi dosegli natančnejši nadzor napak in optimizirali lastnosti materiala; hitra rast visokokakovostnega debelega filma 3C-SiC je ključnega pomena za izpolnjevanje potreb visokonapetostnih naprav, zato so potrebne nadaljnje raziskave, da bi presegli ravnovesje med hitrostjo rasti in enotnostjo materiala; v kombinaciji z uporabo 3C-SiC v heterogenih strukturah, kot je SiC/GaN, raziščite njegove potencialne aplikacije v novih napravah, kot so močnostna elektronika, optoelektronska integracija in kvantna obdelava informacij.

Reference:

[1] Nishino S, Hazuki Y, Matsunami H, et al. Kemijsko naparjanje monokristalnih filmov β-SiC na silicijev substrat z napršeno vmesno plastjo SiC [J]. Journal of The Electrochemical Society, 1980, 127(12):2674-2680.

[2] Ye Zhizhen, Wang Yadong, Huang Jingyun, et al. Raziskave o nizkotemperaturni rasti silicijevega karbida [J]. Journal of Vacuum Science and Technology, 2002, 022(001):58-60. .

[3] An Xia, Zhuang Huizhao, Li Huaixiang, et al. Priprava nano-SiC tankih filmov z magnetronskim razprševanjem na (111) Si substrat [J]. Journal of Shandong Normal University, 2001: 382-384 ..

[4] Seki K, Alexander, Kozawa S, et al. Politipsko selektivna rast SiC z nadzorom prenasičenosti pri rasti raztopine [J]. Journal of Crystal Growth, 2012, 360: 176-180.

[5] Chen Yao, Zhao Fuqiang, Zhu Bingxian, He Shuai Pregled razvoja naprav iz silicijevega karbida doma in v tujini [J].

[6] Li X, Wang G. CVD rast plasti 3C-SiC na substratih 4H-SiC z izboljšano morfologijo [J].Solid State Communications, 2023:371.

[7] Hou Kaiwen Raziskave substrata z vzorcem Si in njegove uporabe pri rasti 3C-SiC [D]. Xi'an University of Technology, 2018.

[8]Lars, Hiller, Thomas, et al. Učinki vodika pri ECR-jedkanju meza struktur 3C-SiC(100) [J]. Forum znanosti o materialih, 2014.

[9] Xu Qingfang Priprava tankih plasti 3C-SiC z laserskim kemičnim naparjevanjem [D] Tehnološka univerza Wuhan, 2016.

[10] Foisal ARM, Nguyen T, Dinh TK, et al.3C-SiC/Si heterostruktura: odlična platforma za pozicijsko občutljive detektorje, ki temeljijo na fotovoltaičnem učinku [J]. ACS Applied Materials & Interfaces, 2019: 40980-40987.

[11] Xin Bin. 3C/4H-SiC heteroepitaksialna rast na podlagi postopka CVD: karakterizacija in razvoj napak [D]. Xi'an University of Electronic Science and Technology.

[12] Dong Lin. Tehnologija epitaksialne rasti z velikimi površinami in karakterizacija fizikalnih lastnosti silicijevega karbida [D]. Univerza Kitajske akademije znanosti, 2014.

[13] Diani M, Simon L, Kubler L, et al. Kristalna rast politipa 3C-SiC na substratu 6H-SiC(0001) [J]. Journal of Crystal Growth, 2002, 235(1):95-102.