3C SiC:n kehityshistoria

Tärkeänä muotonapiikarbidi, kehityshistoriaa3C-SiCheijastaa puolijohdemateriaalitieteen jatkuvaa kehitystä. 1980-luvulla Nishino et al. hankittiin ensin 4um 3C-SiC ohutkalvot piisubstraateille kemiallisella höyrypinnoitusmenetelmällä (CVD) [1], mikä loi perustan 3C-SiC ohutkalvoteknologialle.

1990-luku oli piikarbiditutkimuksen kulta-aikaa. Cree Research Inc. toi markkinoille 6H-SiC-sirut vuonna 1991 ja 4H-SiC-sirut vuonna 1994 edistäen niiden kaupallistamista.SiC-puolijohdelaitteet. Teknologinen kehitys tänä aikana loi perustan myöhemmälle 3C-SiC:n tutkimukselle ja sovellukselle.

2000-luvun alussakotimaiset piipohjaiset piipohjaiset ohutkalvotmyös kehittynyt jossain määrin. Ye Zhizhen et ai. valmisti piipohjaisia ​​SiC-ohutkalvoja CVD:llä alhaisissa lämpötiloissa vuonna 2002 [2]. Vuonna 2001 An Xia et ai. valmisti piipohjaisia ​​SiC-ohutkalvoja magnetronisputteroinnilla huoneenlämpötilassa [3].

Kuitenkin johtuen suuresta erosta Si:n ja SiC:n hilavakion välillä (noin 20 %), 3C-SiC-epitaksiaalikerroksen vikatiheys on suhteellisen korkea, erityisesti kaksoisvika, kuten DPB. Hilan yhteensopimattomuuden vähentämiseksi tutkijat käyttävät 6H-SiC:tä, 15R-SiC:tä tai 4H-SiC:tä (0001) pinnalla substraattina kasvattaakseen 3C-SiC-epitaksiaalista kerrosta ja vähentääkseen virhetiheyttä. Esimerkiksi vuonna 2012 Seki, Kazuaki et al. ehdotti dynaamista polymorfista epitaksiaohjaustekniikkaa, joka toteuttaa 3C-SiC:n ja 6H-SiC:n polymorfisen selektiivisen kasvun 6H-SiC:n (0001) pintasiemenellä säätelemällä ylikylläisyyttä [4-5]. Vuonna 2023 tutkijat, kuten Xun Li, käyttivät CVD-menetelmää kasvun ja prosessin optimointiin ja onnistuivat saavuttamaan tasaisen 3C-SiC:n.epitaksiaalinen kerrosilman DPB-virheitä pinnalla 4H-SiC-substraatilla kasvunopeudella 14 um/h[6].

3C SiC:n kiderakenne ja käyttöalueet

Monien SiCD-polytyyppien joukossa 3C-SiC on ainoa kuutiomainen polytyyppi, joka tunnetaan myös nimellä β-SiC. Tässä kiderakenteessa Si- ja C-atomit esiintyvät hilassa suhteessa yksi yhteen, ja jokaista atomia ympäröi neljä heterogeenista atomia, jotka muodostavat tetraedrisen rakenneyksikön vahvoilla kovalenttisilla sidoksilla. 3C-SiC:n rakenteellinen piirre on, että Si-C-diatomiset kerrokset järjestetään toistuvasti ABC-ABC-… järjestyksessä, ja jokainen yksikkösolu sisältää kolme tällaista kaksiatomikerrosta, jota kutsutaan C3-esitukseksi; 3C-SiC:n kiderakenne on esitetty alla olevassa kuvassa:

Kuva 1 3C-SiC:n kiderakenne

Tällä hetkellä pii (Si) on yleisimmin käytetty puolijohdemateriaali teholaitteissa. Si:n suorituskyvyn vuoksi piipohjaiset teholaitteet ovat kuitenkin rajallisia. Verrattuna 4H-SiC:iin ja 6H-SiC:iin, 3C-SiC:llä on korkein huonelämpötilan teoreettinen elektronien liikkuvuus (1000 cm·V-1·S-1), ja sillä on enemmän etuja MOS-laitesovelluksissa. Samaan aikaan 3C-SiC:llä on myös erinomaisia ​​ominaisuuksia, kuten korkea läpilyöntijännite, hyvä lämmönjohtavuus, korkea kovuus, laaja bandgap, korkea lämpötilan kestävyys ja säteilynkestävyys. Siksi sillä on suuri potentiaali elektroniikassa, optoelektroniikassa, antureissa ja sovelluksissa äärimmäisissä olosuhteissa, mikä edistää niihin liittyvien teknologioiden kehitystä ja innovointia ja osoittaa laajaa sovelluspotentiaalia monilla aloilla:

Ensimmäinen: Erityisesti korkeajännite-, suurtaajuus- ja korkean lämpötilan ympäristöissä 3C-SiC:n korkea läpilyöntijännite ja suuri elektronien liikkuvuus tekevät siitä ihanteellisen valinnan teholaitteiden, kuten MOSFETin, valmistukseen [7]. Toiseksi: 3C-SiC:n käyttö nanoelektroniikassa ja mikroelektromekaanisissa järjestelmissä (MEMS) hyötyy sen yhteensopivuudesta piiteknologian kanssa, mikä mahdollistaa nanomittakaavan rakenteiden, kuten nanoelektroniikan ja nanoelektromekaanisten laitteiden valmistuksen [8]. Kolmanneksi: 3C-SiC soveltuu laajakaistaisena puolijohdemateriaalina mm.siniset valodiodit(LEDit). Sen käyttö valaistuksessa, näyttötekniikassa ja lasereissa on herättänyt huomiota sen korkean valotehokkuuden ja helpon dopingin ansiosta [9]. Neljänneksi: Samaan aikaan 3C-SiC:llä valmistetaan paikkaherkkiä ilmaisimia, erityisesti lateraaliseen aurinkosähkövaikutukseen perustuvia laserpisteen sijaintiherkkiä ilmaisimia, jotka osoittavat suurta herkkyyttä nollabias-olosuhteissa ja sopivat tarkkaan paikannukseen [10] .

3. 3C SiC heteroepitaksian valmistusmenetelmä

3C-SiC-heteroepitaksian tärkeimmät kasvatusmenetelmät sisältävätkemiallinen höyrypinnoitus (CVD), sublimaatioepitaksi (SE), nestefaasiepitaksi (LPE), molekyylisuihkuepitaksia (MBE), magnetronisputterointia jne. CVD on suositeltava menetelmä 3C-SiC-epitaksialle sen hallittavuuden ja mukautuvuuden vuoksi (kuten lämpötila, kaasuvirtaus, kammiopaine ja reaktioaika, mikä voi optimoida laitteen laadun). epitaksiaalinen kerros).

Kemiallinen höyrypinnoitus (CVD): Si- ja C-elementtejä sisältävä yhdistekaasu johdetaan reaktiokammioon, kuumennetaan ja hajotetaan korkeassa lämpötilassa, minkä jälkeen Si-atomit ja C-atomit saostetaan Si-substraatille tai 6H-SiC, 15R- SiC, 4H-SiC substraatti [11]. Tämän reaktion lämpötila on tavallisesti välillä 1300-1500 ℃. Yleisiä Si-lähteitä ovat SiH4, TCS, MTS jne., ja C-lähteitä ovat pääasiassa C2H4, C3H8 jne., joissa H2 on kantokaasu. Kasvuprosessi sisältää pääasiassa seuraavat vaiheet: 1. Kaasufaasireaktiolähde kuljetetaan pääkaasuvirrassa laskeumavyöhykkeelle. 2. Kaasufaasireaktio tapahtuu rajakerroksessa muodostaen ohutkalvoprekursoreita ja sivutuotteita. 3. Prekursorin saostus-, adsorptio- ja krakkausprosessi. 4. Adsorboituneet atomit kulkeutuvat ja rekonstruoituvat alustan pinnalla. 5. Adsorboituneet atomit ydintyvät ja kasvavat substraatin pinnalla. 6. Jätekaasun massakuljetus reaktion jälkeen pääkaasun virtausvyöhykkeelle ja otetaan ulos reaktiokammiosta. Kuva 2 on kaavio CVD:stä [12].

Kuva 2 CVD:n kaavio

Sublimaatioepitaksimenetelmä (SE): Kuva 3 on kokeellinen rakennekaavio SE-menetelmästä 3C-SiC:n valmistamiseksi. Päävaiheet ovat piikarbidin lähteen hajoaminen ja sublimaatio korkean lämpötilan vyöhykkeellä, sublimaattien kuljetus sekä sublimaattien reaktio ja kiteytyminen substraatin pinnalla alemmassa lämpötilassa. Yksityiskohdat ovat seuraavat: 6H-SiC tai 4H-SiC substraatti asetetaan upokkaan päälle jaerittäin puhdasta piikarbidijauhettakäytetään piikarbidiraaka-aineena ja sijoitetaan sen pohjallegrafiitti upokas. Upokas kuumennetaan 1900-2100 ℃ lämpötilaan radiotaajuisella induktiolla ja substraatin lämpötila säädetään alemmaksi kuin piikarbidin lähde, jolloin upokkaan sisään muodostuu aksiaalinen lämpötilagradientti, jotta sublimoitu piikarbidi voi kondensoitua ja kiteytyä alustalle. muodostaa 3C-SiC heteroepitaksiaalista.

Sublimaatioepitaksian edut ovat pääasiassa kahdessa suhteessa: 1. Epitaksian lämpötila on korkea, mikä voi vähentää kidevirheitä; 2. Se voidaan syövyttää, jolloin saadaan syövytetty pinta atomitasolla. Kasvuprosessin aikana reaktiolähdettä ei kuitenkaan voida säätää, eikä pii-hiili-suhdetta, aikaa, erilaisia ​​reaktiojaksoja jne. voida muuttaa, mikä johtaa kasvuprosessin ohjattavuuden heikkenemiseen.

Kuva 3 Kaaviokaavio SE-menetelmästä 3C-SiC-epitaksian kasvattamiseksi

Molecular beam epitaxy (MBE) on edistynyt ohutkalvokasvatusteknologia, joka soveltuu 3C-SiC-epitaksiaalisten kerrosten kasvattamiseen 4H-SiC- tai 6H-SiC-substraateille. Tämän menetelmän perusperiaate on: ultrakorkeassa tyhjiöympäristössä lähdekaasun tarkan ohjauksen avulla kasvavan epitaksiaalikerroksen elementit kuumennetaan muodostamaan suunnattu atomisäde tai molekyylisäde, joka osuu lämmitetyn substraatin pinnalle. epitaksiaalinen kasvu. Yleiset olosuhteet 3C-SiC:n viljelylleepitaksiaaliset kerrokset4H-SiC- tai 6H-SiC-substraatit ovat: piipitoisissa olosuhteissa grafeeni ja puhtaat hiilen lähteet viritetään kaasumaisiksi aineiksi elektronitykillä ja reaktiolämpötilana käytetään 1200-1350 ℃. 3C-SiC heteroepitaksiaalinen kasvu voidaan saada kasvunopeudella 0,01-0,1 nms-1 [13].

Päätelmä ja tulevaisuus

Jatkuvan teknologisen kehityksen ja syvällisen mekanismitutkimuksen ansiosta 3C-SiC-heteroepitaksiaalisella teknologialla odotetaan olevan tärkeämpi rooli puolijohdeteollisuudessa ja se edistää tehokkaiden elektronisten laitteiden kehitystä. Esimerkiksi uusien kasvutekniikoiden ja -strategioiden tutkimisen jatkaminen, kuten HCl-atmosfäärin käyttöönotto kasvunopeuden lisäämiseksi säilyttäen samalla alhainen vikatiheys, on tulevaisuuden tutkimuksen suunta; syvällinen tutkimus vikojen muodostumismekanismista ja kehittyneempien karakterisointitekniikoiden, kuten fotoluminesenssi- ja katodoluminesenssianalyysin, kehittäminen tarkemman vianhallinnan saavuttamiseksi ja materiaaliominaisuuksien optimoimiseksi; korkealaatuisen paksukalvon nopea kasvu 3C-SiC on avain korkeajännitelaitteiden tarpeisiin, ja lisätutkimusta tarvitaan kasvunopeuden ja materiaalin tasalaatuisuuden välisen tasapainon poistamiseksi; yhdistettynä 3C-SiC:n soveltamiseen heterogeenisissä rakenteissa, kuten SiC/GaN, tutkia sen potentiaalisia sovelluksia uusissa laitteissa, kuten tehoelektroniikassa, optoelektronisessa integraatiossa ja kvanttitietojen käsittelyssä.

Viitteet:

[1] Nishino S, Hazuki Y, Matsunami H, et ai. Yksikiteisten β-SiC-kalvojen kemiallinen höyrysaostus piisubstraatille, jossa on ruiskutettua piikarbidivälikerrosta [J]. Journal of The Electrochemical Society, 1980, 127(12):2674-2680.

[2] Ye Zhizhen, Wang Yadong, Huang Jingyun et ai. Tutkimus piipohjaisten piikarbidikalvojen kasvusta matalassa lämpötilassa [J] Journal of Vacuum Science and Technology, 2002, 022(001):58-60. .

[3] An Xia, Zhuang Huizhao, Li Huaixiang et ai. Nano-SiC-ohutkalvojen valmistaminen magnetronisputteroinnilla (111) Si-substraatilla [J] Journal of Shandong Normal University: Natural Science Edition, 2001: 382-384 ..

[4] Seki K, Alexander, Kozawa S, et ai. SiC:n polytyyppiselektiivinen kasvu ylikyllästyskontrollilla liuoksen kasvussa [J]. Journal of Crystal Growth, 2012, 360:176-180.

[5] Chen Yao, Zhao Fuqiang, Zhu Bingxian, He Shuai Katsaus piikarbiditeholaitteiden kehitykseen kotimaassa ja ulkomailla [J], 2020: 49-54.

[6] Li X, Wang G. 3C-SiC-kerrosten CVD-kasvu 4H-SiC-substraateilla, joilla on parannettu morfologia[J].Solid State Communications, 2023:371.

[7] Hou Kaiwen Si-kuvioidun substraatin tutkimus ja sen käyttö 3C-SiC-kasvussa [D], 2018.

[8] Lars, Hiller, Thomas et al. Vetyvaikutukset 3C-SiC(100) Mesa -rakenteiden ECR-etsauksessa[J]. Materials Science Forum, 2014.

[9] Xu Qingfang 3C-SiC-ohutkalvojen valmistus laserkemiallisella höyrypinnoituksella [D], 2016.

[10] Foisal ARM, Nguyen T, Dinh T K, et al.3C-SiC/Si Heterostructure: Erinomainen alusta paikkaherkille ilmaisimille, jotka perustuvat aurinkosähkövaikutukseen[J].ACS Applied Materials & Interfaces, 2019: 40987.

[11] Xin Bin 3C/4H-SiC heteroepitaksiaalinen kasvu perustuu CVD-prosessiin: vikojen karakterisointi ja evoluutio [D].

[12] Dong Lin. Suuren alueen monikiekkojen epitaksiaalinen kasvuteknologia ja piikarbidin fyysisten ominaisuuksien karakterisointi [D] Kiinan tiedeakatemian yliopisto, 2014.

[13] Diani M, Simon L, Kubler L, et ai. 3C-SiC-polytyypin kidekasvatus 6H-SiC(0001)-substraatilla [J]. Journal of Crystal Growth, 2002, 235(1):95-102.