História vývoja 3C SiC

Ako dôležitá formakarbid kremíka, históriu vývoja3C-SiCodráža neustály pokrok vedy o polovodičových materiáloch. V 80. rokoch Nishino a spol. prvýkrát získal 4um tenké vrstvy 3C-SiC na kremíkových substrátoch pomocou chemického nanášania z plynnej fázy (CVD) [1], čo položilo základ pre technológiu tenkých vrstiev 3C-SiC.

Deväťdesiate roky boli zlatým vekom výskumu SiC. Spoločnosť Cree Research Inc. uviedla na trh čipy 6H-SiC a 4H-SiC v roku 1991 a 1994, čím podporila komercializáciuSiC polovodičové zariadenia. Technologický pokrok v tomto období položil základ pre následný výskum a aplikáciu 3C-SiC.

Na začiatku 21. storočiadomáce tenké vrstvy SiC na báze kremíkaaj do určitej miery vyvinuté. Ye Zhizhen a kol. pripravili tenké vrstvy SiC na báze kremíka pomocou CVD za podmienok nízkej teploty v roku 2002 [2]. V roku 2001 An Xia a spol. pripravené tenké vrstvy SiC na báze kremíka magnetrónovým naprašovaním pri izbovej teplote [3].

Avšak kvôli veľkému rozdielu medzi mriežkovou konštantou Si a SiC (približne 20 %) je hustota defektov 3C-SiC epitaxnej vrstvy relatívne vysoká, najmä dvojitý defekt, ako je DPB. Aby sa znížil nesúlad mriežky, výskumníci používajú 6H-SiC, 15R-SiC alebo 4H-SiC na povrchu (0001) ako substrát na rast epitaxnej vrstvy 3C-SiC a zníženie hustoty defektov. Napríklad v roku 2012 Seki, Kazuaki a spol. navrhli technológiu riadenia dynamickej polymorfnej epitaxie, ktorá realizuje polymorfný selektívny rast 3C-SiC a 6H-SiC na povrchových semenách 6H-SiC (0001) riadením presýtenia [4-5]. V roku 2023 výskumníci ako Xun Li použili metódu CVD na optimalizáciu rastu a procesu a úspešne získali hladký 3C-SiCepitaxná vrstvabez defektov DPB na povrchu na 4H-SiC substráte pri rýchlosti rastu 14 um/h[6].

Kryštalická štruktúra a aplikačné oblasti 3C SiC

Spomedzi mnohých polytypov SiCD je 3C-SiC jediným kubickým polytypom, tiež známym ako β-SiC. V tejto kryštálovej štruktúre existujú atómy Si a C v mriežke v pomere jedna ku jednej a každý atóm je obklopený štyrmi heterogénnymi atómami, ktoré tvoria tetraedrickú štruktúrnu jednotku so silnými kovalentnými väzbami. Štrukturálnym znakom 3C-SiC je, že dvojatómové vrstvy Si-C sú opakovane usporiadané v poradí ABC-ABC-... a každá základná bunka obsahuje tri takéto dvojatómové vrstvy, čo sa nazýva reprezentácia C3; kryštálová štruktúra 3C-SiC je znázornená na obrázku nižšie:

Obrázok 1 Kryštalická štruktúra 3C-SiC

V súčasnosti je kremík (Si) najbežnejšie používaným polovodičovým materiálom pre energetické zariadenia. Avšak kvôli výkonu Si sú výkonové zariadenia na báze kremíka obmedzené. V porovnaní s 4H-SiC a 6H-SiC má 3C-SiC najvyššiu teoretickú mobilitu elektrónov pri izbovej teplote (1000 cm·V-1·S-1) a má viac výhod v aplikáciách zariadení MOS. Súčasne má 3C-SiC tiež vynikajúce vlastnosti, ako je vysoké prierazné napätie, dobrá tepelná vodivosť, vysoká tvrdosť, široký bandgap, odolnosť voči vysokej teplote a odolnosť voči žiareniu. Preto má veľký potenciál v elektronike, optoelektronike, senzoroch a aplikáciách v extrémnych podmienkach, podporuje vývoj a inováciu súvisiacich technológií a ukazuje široký aplikačný potenciál v mnohých oblastiach:

Po prvé: Najmä vo vysokonapäťových, vysokofrekvenčných a vysokoteplotných prostrediach, vysoké prierazné napätie a vysoká mobilita elektrónov z 3C-SiC robia ideálnu voľbu pre výrobu energetických zariadení, ako je MOSFET [7]. Po druhé: Aplikácia 3C-SiC v nanoelektronike a mikroelektromechanických systémoch (MEMS) ťaží z jeho kompatibility s kremíkovou technológiou, čo umožňuje výrobu štruktúr nanometrov, ako sú nanoelektronika a nanoelektromechanické zariadenia [8]. Po tretie: Ako polovodičový materiál so širokým pásmom je 3C-SiC vhodný na výrobumodré diódy vyžarujúce svetlo(LED diódy). Jeho aplikácia v osvetlení, zobrazovacej technike a laseroch pritiahla pozornosť vďaka vysokej svetelnej účinnosti a ľahkému dopovaniu [9]. Po štvrté: 3C-SiC sa zároveň používa na výrobu polohovo citlivých detektorov, najmä laserových bodových polohovo citlivých detektorov založených na laterálnom fotovoltaickom efekte, ktoré vykazujú vysokú citlivosť za podmienok nulovej odchýlky a sú vhodné na presné polohovanie [10] .

3. Spôsob prípravy 3C SiC heteroepitaxie

Medzi hlavné rastové metódy 3C-SiC heteroepitaxie patríchemická depozícia z pár (CVD), sublimačná epitaxia (SE), epitaxia v kvapalnej fáze (LPE), epitaxia molekulárneho lúča (MBE), magnetrónové naprašovanie atď. CVD je preferovanou metódou pre 3C-SiC epitaxiu kvôli jej ovládateľnosti a prispôsobivosti (ako je teplota, prietok plynu, tlak v komore a reakčný čas, čo môže optimalizovať kvalitu epitaxná vrstva).

Chemická depozícia z plynnej fázy (CVD): Zložený plyn obsahujúci prvky Si a C prechádza do reakčnej komory, zahrieva sa a rozkladá pri vysokej teplote a potom sa atómy Si a atómy C vyzrážajú na substráte Si alebo 6H-SiC, 15R- SiC, 4H-SiC substrát [11]. Teplota tejto reakcie je zvyčajne medzi 1300-1500 ℃. Bežné zdroje Si zahŕňajú SiH4, TCS, MTS, atď. a zdroje C zahŕňajú hlavne C2H4, C3H8 atď., pričom H2 ako nosný plyn. Rastový proces zahŕňa hlavne nasledujúce kroky: 1. Zdroj reakcie v plynnej fáze je transportovaný do depozičnej zóny v hlavnom prúde plynu. 2. Reakcia v plynnej fáze prebieha v hraničnej vrstve za vzniku tenkých filmových prekurzorov a vedľajších produktov. 3. Proces zrážania, adsorpcie a krakovania prekurzora. 4. Adsorbované atómy migrujú a rekonštruujú na povrchu substrátu. 5. Adsorbované atómy nukleujú a rastú na povrchu substrátu. 6. Hromadný transport odpadového plynu po reakcii do hlavnej zóny prúdenia plynu a je odvádzaný von z reakčnej komory. Obrázok 2 je schematický diagram CVD [12].

Obrázok 2 Schematický diagram CVD

Metóda sublimačnej epitaxie (SE): Obrázok 3 je experimentálny štruktúrny diagram metódy SE na prípravu 3C-SiC. Hlavnými krokmi sú rozklad a sublimácia zdroja SiC vo vysokoteplotnej zóne, transport sublimátov a reakcia a kryštalizácia sublimátov na povrchu substrátu pri nižšej teplote. Podrobnosti sú nasledovné: 6H-SiC alebo 4H-SiC substrát je umiestnený na vrchu téglika avysoko čistý SiC prášoksa používa ako SiC surovina a umiestňuje sa na spodokgrafitový téglik. Téglik sa zahreje na 1900-2100 ℃ pomocou rádiofrekvenčnej indukcie a teplota substrátu sa reguluje tak, aby bola nižšia ako zdroj SiC, čím sa vytvorí axiálny teplotný gradient vo vnútri téglika, takže sublimovaný materiál SiC môže kondenzovať a kryštalizovať na substráte. za vzniku 3C-SiC heteroepitaxie.

Výhody sublimačnej epitaxie sú najmä v dvoch aspektoch: 1. Teplota epitaxie je vysoká, čo môže znížiť defekty kryštálov; 2. Môže byť leptaný, aby sa získal leptaný povrch na úrovni atómov. Počas procesu rastu však nie je možné upravovať zdroj reakcie a meniť pomer kremík-uhlík, čas, rôzne reakčné sekvencie atď., čo má za následok zníženie kontrolovateľnosti procesu rastu.

Obrázok 3 Schematický diagram metódy SE na pestovanie 3C-SiC epitaxie

Molecular beam epitaxy (MBE) je pokročilá technológia rastu tenkých vrstiev, ktorá je vhodná na pestovanie 3C-SiC epitaxných vrstiev na 4H-SiC alebo 6H-SiC substrátoch. Základným princípom tejto metódy je: v prostredí ultravysokého vákua sa vďaka precíznej kontrole zdrojového plynu prvky rastúcej epitaxnej vrstvy zahrievajú, aby vytvorili smerovaný atómový lúč alebo molekulárny lúč a dopadali na zahriaty povrch substrátu. epitaxný rast. Bežné podmienky pre pestovanie 3C-SiCepitaxné vrstvyna substrátoch 4H-SiC alebo 6H-SiC sú: v podmienkach bohatých na kremík sú zdroje grafénu a čistého uhlíka excitované na plynné látky pomocou elektrónovej pištole a ako reakčná teplota sa používa 1200-1350 ℃. 3C-SiC heteroepitaxiálny rast možno dosiahnuť rýchlosťou rastu 0,01-0,1 nms-1 [13].

Záver a vyhliadka

Očakáva sa, že prostredníctvom neustáleho technologického pokroku a hĺbkového výskumu mechanizmov bude heteroepitaxiálna technológia 3C-SiC hrať dôležitejšiu úlohu v polovodičovom priemysle a bude podporovať vývoj vysoko účinných elektronických zariadení. Smerom budúceho výskumu je napríklad pokračovanie v skúmaní nových rastových techník a stratégií, ako je zavedenie HCl atmosféry na zvýšenie rýchlosti rastu pri zachovaní nízkej hustoty defektov; hĺbkový výskum mechanizmu tvorby defektov a vývoj pokročilejších charakterizačných techník, ako je fotoluminiscencia a katodoluminiscenčná analýza, s cieľom dosiahnuť presnejšiu kontrolu defektov a optimalizovať vlastnosti materiálu; rýchly rast vysokokvalitného hrubého filmu 3C-SiC je kľúčom k splneniu potrieb vysokonapäťových zariadení a je potrebný ďalší výskum na prekonanie rovnováhy medzi rýchlosťou rastu a uniformitou materiálu; v kombinácii s aplikáciou 3C-SiC v heterogénnych štruktúrach, ako je SiC/GaN, preskúmajte jeho potenciálne aplikácie v nových zariadeniach, ako je výkonová elektronika, optoelektronická integrácia a kvantové spracovanie informácií.

Referencie:

[1] Nishino S, Hazuki Y, Matsunami H a kol. Chemická depozícia monokryštalických β-SiC vrstiev na kremíkový substrát s naprašovanou medzivrstvou SiC[J]. Časopis The Electrochemical Society, 1980, 127(12):2674-2680.

[2] Ye Zhizhen, Wang Yadong, Huang Jingyun a kol. Výskum nízkoteplotného rastu tenkých vrstiev karbidu kremíka [J] Journal of Vacuum Science and Technology, 2002, 022(001):58-60. .

[3] An Xia, Zhuang Huizhao, Li Huaixiang, a kol ..

[4] Seki K, Alexander, Kozawa S, a kol. Polytypovo selektívny rast SiC kontrolou presýtenia pri raste roztoku[J]. Journal of Crystal Growth, 2012, 360:176-180.

[5] Chen Yao, Zhao Fuqiang, Zhu Bingxian, He Shuai Prehľad vývoja výkonových zariadení z karbidu kremíka doma a v zahraničí [J].

[6] Li X, Wang G. CVD rast vrstiev 3C-SiC na substrátoch 4H-SiC so zlepšenou morfológiou[J]. Solid State Communications, 2023:371.

[7] Hou Kaiwen Výskum substrátu so vzorom Si a jeho aplikácie pri raste 3C-SiC [D], 2018.

[8]Lars, Hiller, Thomas a kol. Účinky vodíka v ECR-leptanie 3C-SiC(100) Mesa Structures[J].Materials Science Forum, 2014.

[9] Xu Qingfang Príprava tenkých vrstiev 3C-SiC laserovým chemickým nanášaním pár [D].

[10] Foisal AR M, Nguyen T, Dinh TK a kol. 3C-SiC/Si Heterostruktura: Vynikajúca platforma pre detektory citlivé na polohu založené na fotovoltaickom efekte[J]. Aplikované materiály a rozhrania ACS, 2019: 409870-409

[11] Xin Bin 3C/4H-SiC heteroepitaxný rast založený na procese CVD: charakterizácia defektov a vývoj [D].

[12] Technológia veľkoplošného epitaxného rastu a fyzikálnych vlastností karbidu kremíka [D], Univerzita Čínskej akadémie vied, 2014.

[13] Diani M., Simon L., Kubler L. a kol. Rast kryštálov polytypu 3C-SiC na substráte 6H-SiC(0001)[J]. Journal of Crystal Growth, 2002, 235 (1): 95-102.