3C SiC kūrimo istorija

Kaip svarbi formasilicio karbidas, raidos istorija3C-SiCatspindi nuolatinę puslaidininkių medžiagų mokslo pažangą. Devintajame dešimtmetyje Nishino ir kt. pirmą kartą buvo gautos 4 um 3C-SiC plonos plėvelės ant silicio substratų cheminiu garų nusodinimu (CVD) [1], kuri padėjo pagrindą 3C-SiC plonasluoksnių sluoksnių technologijai.

Dešimtasis dešimtmetis buvo SiC tyrimų aukso amžius. „Cree Research Inc.“ išleido 6H-SiC ir 4H-SiC lustus atitinkamai 1991 ir 1994 m., skatindama jų komercializavimą.SiC puslaidininkiniai įtaisai. Technologinė pažanga per šį laikotarpį padėjo pagrindą tolesniems 3C-SiC tyrimams ir pritaikymui.

XXI amžiaus pradžiojebuitinės silicio pagrindo plonos SiC plėvelėstaip pat tam tikru mastu išsivystė. Ye Zhizhen ir kt. 2002 m. žemos temperatūros sąlygomis CVD būdu paruošė plonas silicio pagrindo SiC plėveles [2]. 2001 m. An Xia ir kt. paruoštos plonos silicio pagrindo SiC plėvelės magnetroniniu purškimu kambario temperatūroje [3].

Tačiau dėl didelio skirtumo tarp Si ir SiC gardelės konstantos (apie 20%) 3C-SiC epitaksinio sluoksnio defektų tankis yra gana didelis, ypač dvigubo defekto, pvz., DPB. Siekdami sumažinti gardelės neatitikimą, mokslininkai naudoja 6H-SiC, 15R-SiC arba 4H-SiC (0001) paviršiuje kaip substratą, kad augintų 3C-SiC epitaksinį sluoksnį ir sumažintų defektų tankį. Pavyzdžiui, 2012 metais Seki, Kazuaki ir kt. pasiūlė dinaminę polimorfinę epitaksijos valdymo technologiją, kuri realizuoja polimorfinį selektyvų 3C-SiC ir 6H-SiC augimą ant 6H-SiC (0001) paviršiaus sėklos, kontroliuojant persotinimą [4-5]. 2023 m. mokslininkai, tokie kaip Xun Li, naudojo CVD metodą, kad optimizuotų augimą ir procesą, ir sėkmingai gavo sklandų 3C-SiC.epitaksinis sluoksnisbe DPB defektų ant 4H-SiC substrato paviršiaus, kai augimo greitis yra 14 um/h[6].

3C SiC kristalų struktūra ir taikymo sritys

Tarp daugelio SiCD politipų 3C-SiC yra vienintelis kubinis politipas, dar žinomas kaip β-SiC. Šioje kristalinėje struktūroje Si ir C atomai egzistuoja santykiu vienas su vienu, o kiekvienas atomas yra apsuptas keturių nevienalyčių atomų, kurie sudaro tetraedrinį struktūrinį vienetą su stipriais kovalentiniais ryšiais. 3C-SiC struktūrinė ypatybė yra ta, kad Si-C dviatominiai sluoksniai yra pakartotinai išdėstyti ABC-ABC-… tvarka, ir kiekvienoje vienetinėje ląstelėje yra trys tokie dviatominiai sluoksniai, kurie vadinami C3 reprezentacija; 3C-SiC kristalinė struktūra parodyta paveikslėlyje žemiau:

1 pav. 3C-SiC kristalinė struktūra

Šiuo metu silicis (Si) yra dažniausiai naudojama puslaidininkinė medžiaga galios įrenginiuose. Tačiau dėl Si našumo silicio pagrindu pagaminti maitinimo įrenginiai yra riboti. Palyginti su 4H-SiC ir 6H-SiC, 3C-SiC turi didžiausią kambario temperatūros teorinį elektronų judrumą (1000 cm·V-1·S-1) ir turi daugiau pranašumų naudojant MOS įrenginius. Tuo pačiu metu 3C-SiC taip pat turi puikių savybių, tokių kaip aukšta gedimo įtampa, geras šilumos laidumas, didelis kietumas, platus diapazonas, atsparumas aukštai temperatūrai ir atsparumas spinduliuotei. Todėl jis turi didelį potencialą elektronikoje, optoelektronikoje, jutikliuose ir taikomosiose srityse ekstremaliomis sąlygomis, skatina susijusių technologijų plėtrą ir inovacijas bei parodo platų pritaikymo potencialą daugelyje sričių:

Pirma: ypač aukštos įtampos, aukšto dažnio ir aukštos temperatūros aplinkoje, didelė 3C-SiC gedimo įtampa ir didelis elektronų mobilumas yra idealus pasirinkimas gaminant galios įrenginius, tokius kaip MOSFET [7]. Antra: 3C-SiC taikymas nanoelektronikoje ir mikroelektromechaninėse sistemose (MEMS) yra naudingas dėl jo suderinamumo su silicio technologija, leidžiančia gaminti nanomastelio struktūras, tokias kaip nanoelektronika ir nanoelektromechaniniai prietaisai [8]. Trečia: 3C-SiC, kaip plataus diapazono puslaidininkinė medžiaga, tinka gamintimėlyni šviesos diodai(LED). Jo taikymas apšvietime, ekranų technologijose ir lazeriuose patraukė dėmesį dėl didelio šviesos efektyvumo ir lengvo dopingo [9]. Ketvirta: tuo pačiu metu 3C-SiC naudojamas padėties jautrių detektorių, ypač lazerinio taško padėties jautrių detektorių, pagrįstų šoniniu fotovoltiniu efektu, gamybai, kurie rodo didelį jautrumą nulinio poslinkio sąlygomis ir yra tinkami tiksliam padėties nustatymui [10]. .

3. 3C SiC heteroepitaksijos paruošimo būdas

Pagrindiniai 3C-SiC heteroepitaksijos augimo metodai apimacheminis nusodinimas garais (CVD), sublimacinė epitaksija (SE), skystos fazės epitaksija (LPE), molekulinio pluošto epitaksiją (MBE), magnetroninį purškimą ir tt CVD yra tinkamiausias 3C-SiC epitaksijos metodas dėl jo valdomumo ir pritaikomumo (pvz., temperatūros, dujų srauto, kameros slėgio ir reakcijos laiko, kurie gali optimizuoti epitaksinis sluoksnis).

Cheminis nusodinimas garais (CVD): sudėtinės dujos, kuriose yra Si ir C elementų, patenka į reakcijos kamerą, kaitinamos ir suskaidomos aukštoje temperatūroje, o tada Si ir C atomai nusodinami ant Si substrato arba 6H-SiC, 15R- SiC, 4H-SiC substratas [11]. Šios reakcijos temperatūra paprastai yra tarp 1300-1500 ℃. Įprasti Si šaltiniai yra SiH4, TCS, MTS ir tt, o C šaltiniai daugiausia apima C2H4, C3H8 ir kt., o H2 yra nešančiosios dujos. Auginimo procesas daugiausia apima šiuos etapus: 1. Dujinės fazės reakcijos šaltinis yra transportuojamas į nusodinimo zoną pagrindiniame dujų sraute. 2. Dujinės fazės reakcija vyksta ribiniame sluoksnyje, kad susidarytų plonos plėvelės pirmtakai ir šalutiniai produktai. 3. Prekursoriaus nusodinimo, adsorbcijos ir krekingo procesas. 4. Adsorbuoti atomai migruoja ir rekonstruoja substrato paviršių. 5. Adsorbuoti atomai formuojasi branduoliais ir auga substrato paviršiuje. 6. Išmetamųjų dujų masė po reakcijos pernešama į pagrindinę dujų srauto zoną ir pašalinama iš reakcijos kameros. 2 paveiksle yra CVD schema [12].

2 pav. CVD schema

Sublimacinės epitaksijos (SE) metodas: 3 paveiksle parodyta SE metodo 3C-SiC paruošimo eksperimentinė struktūros diagrama. Pagrindiniai etapai yra SiC šaltinio skaidymas ir sublimacija aukštos temperatūros zonoje, sublimatų pernešimas ir sublimatų reakcija ir kristalizacija substrato paviršiuje žemesnėje temperatūroje. Išsami informacija yra tokia: 6H-SiC arba 4H-SiC substratas dedamas ant tiglio viršaus irdidelio grynumo SiC milteliainaudojamas kaip SiC žaliava ir dedamas į dugnągrafito tiglis. Tiglis kaitinamas iki 1900-2100 ℃ radijo dažnio indukcija, o substrato temperatūra kontroliuojama, kad ji būtų žemesnė nei SiC šaltinio, todėl tiglio viduje susidaro ašinis temperatūros gradientas, kad sublimuota SiC medžiaga galėtų kondensuotis ir kristalizuotis ant pagrindo. kad susidarytų 3C-SiC heteroepitaksinis.

Sublimacinės epitaksijos pranašumai daugiausia yra du aspektai: 1. Epitaksijos temperatūra yra aukšta, o tai gali sumažinti kristalų defektus; 2. Jis gali būti išgraviruotas, kad būtų gautas išgraviruotas paviršius atominiame lygyje. Tačiau augimo proceso metu negalima reguliuoti reakcijos šaltinio, keisti silicio ir anglies santykio, laiko, įvairių reakcijų sekos ir pan., todėl augimo proceso valdomumas mažėja.

3 pav. SE metodo 3C-SiC epitaksijos auginimui schema

Molekulinio pluošto epitaksija (MBE) yra pažangi plonasluoksnių plėvelių auginimo technologija, tinkama auginti 3C-SiC epitaksinius sluoksnius ant 4H-SiC arba 6H-SiC substratų. Pagrindinis šio metodo principas yra toks: itin didelio vakuumo aplinkoje, tiksliai kontroliuojant šaltinio dujas, augančio epitaksinio sluoksnio elementai kaitinami, kad susidarytų kryptingas atominis pluoštas arba molekulinis pluoštas ir krinta ant šildomo substrato paviršiaus. epitaksinis augimas. Bendros 3C-SiC auginimo sąlygosepitaksiniai sluoksniaiant 4H-SiC arba 6H-SiC substratų yra: esant daug silicio, grafenas ir grynos anglies šaltiniai sužadinami į dujines medžiagas elektroniniu pistoletu, o kaip reakcijos temperatūra naudojama 1200-1350 ℃. 3C-SiC heteroepitaksinį augimą galima gauti esant 0,01-0,1 nms-1 augimo greičiui [13].

Išvada ir perspektyva

Tikimasi, kad dėl nuolatinės technologinės pažangos ir nuodugnių mechanizmų tyrimų 3C-SiC heteroepitaksinė technologija vaidins svarbesnį vaidmenį puslaidininkių pramonėje ir skatins didelio efektyvumo elektroninių prietaisų kūrimą. Pavyzdžiui, tolesnis naujų augimo metodų ir strategijų tyrinėjimas, pvz., HCl atmosferos įvedimas, siekiant padidinti augimo greitį, išlaikant mažą defektų tankį, yra ateities tyrimų kryptis; išsamūs defektų susidarymo mechanizmo tyrimai ir pažangesnių apibūdinimo metodų, tokių kaip fotoliuminescencinė ir katodoliuminescencinė analizė, kūrimas, siekiant tikslesnės defektų kontrolės ir optimizuoti medžiagos savybes; spartus aukštos kokybės storos plėvelės 3C-SiC augimas yra raktas į aukštos įtampos įrenginių poreikių tenkinimą, todėl reikia atlikti tolesnius tyrimus, kad būtų išvengta augimo greičio ir medžiagų vienodumo pusiausvyros; kartu su 3C-SiC taikymu nevienalytėse struktūrose, tokiose kaip SiC / GaN, ištirkite jo galimą pritaikymą naujuose įrenginiuose, tokiuose kaip galios elektronika, optoelektroninė integracija ir kvantinės informacijos apdorojimas.

Nuorodos:

[1] Nishino S, Hazuki Y, Matsunami H ir kt. Vienkristalinių β‐SiC plėvelių cheminis nusodinimas garais ant silicio substrato su išpuršktu SiC tarpiniu sluoksniu[J].Journal of The Electrochemical Society, 1980, 127(12):2674-2680.

[2] Ye Zhizhen, Wang Yadong, Huang Jingyun ir kt., Silicio karbido plonųjų plėvelių augimo žemoje temperatūroje [J] Journal of Vacuum Science and Technology, 2002, 022(001):58-60. .

[3] An Xia, Zhuang Huizhao, Li Huaixiang ir kt., Nano-SiC plonų plėvelių paruošimas purškiant ant (111) Si substrato [J] Shandong Normal University: Natural Science Edition, 2001: 382-384 ..

[4] Seki K, Alexander, Kozawa S ir kt. Politipui selektyvus SiC augimas kontroliuojant persotinimą tirpalo augimo metu [J]. Crystal Growth žurnalas, 2012, 360:176-180.

[5] Chen Yao, Zhao Fuqiang, Zhu Bingxian, He Shuai Silicio karbido galios įrenginių kūrimo namuose ir užsienyje apžvalga [J], 2020: 49-54.

[6] Li X, Wang G. 3C-SiC sluoksnių CVD augimas ant 4H-SiC substratų su patobulinta morfologija[J].Solid State Communications, 2023:371.

[7] Hou Kaiwen tyrimai dėl Si rašto substrato ir jo taikymo 3C-SiC augimui [D], 2018 m.

[8] Larsas, Hilleris, Thomas ir kt. Vandenilio poveikis ECR-Etching of 3C-SiC(100) Mesa Structures[J].Medžiagų mokslo forumas, 2014 m.

[9] Xu Qingfang 3C-SiC plonų plėvelių paruošimas cheminiu garų nusodinimu [D], Uhano technologijos universitetas, 2016 m.

[10] Foisal A R M , Nguyen T , Dinh T K ir kt.3C-SiC/Si Heterostruktūra: puiki vietai jautrių detektorių platforma, pagrįsta fotovoltiniu efektu[J].ACS taikomosios medžiagos ir sąsajos, 2019: 40987.

[11] Xin Bin 3C/4H-SiC heteroepitaksinis augimas, pagrįstas CVD procesu: defektų apibūdinimas ir raida [D].

[12] Dong Lin. Didelio ploto kelių plokštelių epitaksinio augimo technologija ir fizinės silicio karbido savybės [D], Kinijos mokslų akademijos universitetas, 2014 m.

[13] Diani M, Simon L, Kubler L ir kt. 3C-SiC politipo kristalų augimas ant 6H-SiC(0001) substrato[J]. Journal of Crystal Growth, 2002, 235(1):95-102.