Utviklingshistorien til 3C SIC

Som en viktig form forsilisiumkarbid, utviklingshistorien til3C-SiCgjenspeiler den kontinuerlige fremgangen til halvledermaterialvitenskap. På 1980 -tallet har Nishino et al. Først oppnådde 4um 3C-Sic tynne filmer på silisiumsubstrater ved kjemisk dampavsetning (CVD) [1], som la grunnlaget for 3C-Sic tynn filmteknologi.

1990-tallet var gullalderen for SiC-forskning. Cree Research Inc. lanserte 6H-SiC- og 4H-SiC-brikker i henholdsvis 1991 og 1994, og fremmet kommersialiseringen avSiC halvlederenheter. Den teknologiske fremgangen i denne perioden la grunnlaget for den påfølgende forskningen og anvendelsen av 3C-SiC.

På begynnelsen av det 21. århundre,innenlands silisiumbaserte SiC tynne filmerogså utviklet til en viss grad. Ye Zhizhen et al. Forberedte silisiumbaserte SIC-tynne filmer av CVD under lave temperaturforhold i 2002 [2]. I 2001, en Xia et al. Forberedte silisiumbaserte Sic tynne filmer ved magnetron sputtering ved romtemperatur [3].

På grunn av den store forskjellen mellom gitterkonstanten til Si og SiC (omtrent 20%), er defekttettheten til 3C-SiC epitaksiallag relativt høy, spesielt tvillingdefekten som DPB. For å redusere gittermismatchen bruker forskere 6H-SiC, 15R-SiC eller 4H-SiC på (0001) overflaten som substrat for å dyrke 3C-SiC epitaksialt lag og redusere defekttettheten. For eksempel, i 2012, Seki, Kazuaki et al. foreslått den dynamiske polymorfe epitaksikontrollteknologien, som realiserer den polymorfe selektive veksten av 3C-SiC og 6H-SiC på 6H-SiC (0001) overflatefrø ved å kontrollere overmetningen [4-5]. I 2023 brukte forskere som Xun Li CVD-metoden for å optimalisere veksten og prosessen, og oppnådde vellykket en jevn 3C-SiCepitaksialt laguten DPB-defekter på overflaten på et 4H-Sic-underlag med en veksthastighet på 14um/h [6].

Krystallstruktur og påføringsfelt av 3C SIC

Blant mange SICD-polytyper er 3C-SIC den eneste kubiske polytype, også kjent som β-SIC. I denne krystallstrukturen eksisterer Si- og C-atomer i et en-til-en-forhold i gitteret, og hvert atom er omgitt av fire heterogene atomer, og danner en tetrahedral strukturell enhet med sterke kovalente bindinger. Det strukturelle trekk ved 3C-SIC er at Si-C diatomiske lag gjentatte ganger er anordnet i størrelsesorden ABC-ABC-…, og hver enhetscelle inneholder tre slike diatomiske lag, som kalles C3-representasjon; Krystallstrukturen til 3C-SIC er vist på figuren nedenfor:

Figur 1 Krystallstruktur av 3C-SIC

For øyeblikket er silisium (SI) det mest brukte halvledermaterialet for strømenheter. På grunn av ytelsen til SI er silisiumbaserte strømenheter imidlertid begrenset. Sammenlignet med 4H-SIC og 6H-SIC, har 3C-SIC den høyeste romtemperaturteoretiske elektronmobiliteten (1000 cm · V-1 · S-1), og har flere fordeler i MOS-enhetsapplikasjoner. Samtidig har 3C-SIC også utmerkede egenskaper som høy nedbrytningsspenning, god termisk ledningsevne, høy hardhet, bred båndgap, høy temperaturmotstand og strålingsmotstand. Derfor har det et stort potensial innen elektronikk, optoelektronikk, sensorer og applikasjoner under ekstreme forhold, fremme utvikling og innovasjon av relaterte teknologier, og viser bredt anvendelsespotensial på mange felt:

Først: Spesielt i miljøer med høy spenning, høy frekvens og høye temperaturer, gjør høy nedbrytningsspenning og høy elektronmobilitet av 3C-SIC den til et ideelt valg for produksjonseffektanordninger som MOSFET [7]. For det andre: Anvendelsen av 3C-SIC i nanoelektronikk og mikroelektromekaniske systemer (MEMS) drar nytte av dens kompatibilitet med silisiumteknologi, noe som tillater fremstilling av nanoskala strukturer som nanoelektronikk og nanoelektromekaniske enheter [8]. For det tredje: Som et bredt bandgap halvledermateriale er 3C-SIC egnet for fremstilling avblå lysdioder(LED). Bruken i belysning, visningsteknologi og lasere har vekket oppmerksomhet på grunn av sin høye lysende effektivitet og enkel doping [9]. Fjerde: Samtidig brukes 3C-SIC til å produsere posisjonsfølsomme detektorer, spesielt laserpunktsposisjonsfølsomme detektorer basert på den laterale fotovoltaiske effekten, som viser høy følsomhet under null skjevhetsforhold og er egnet for presis posisjonering [10] .

3. Forberedelsesmetode for 3C SiC heteroepitaxy

De viktigste vekstmetodene for 3C-SiC heteroepitaxy inkludererkjemisk dampavsetning (CVD), sublimasjonsepitaksi (SE), flytende fase epitaksi (LPE), Molekylær stråleepitaxy (MBE), magnetron-sputtering, etc. CVD er den foretrukne metoden for 3C-Sic epitaxy på grunn av dens kontrollerbarhet og tilpasningsevne (for eksempel temperatur, gasstrøm, kammertrykk og reaksjonstid, noe som kan optimalisere kvaliteten på det epitaksialt lag).

Kjemisk dampavsetning (CVD): En sammensatt gass som inneholder Si- og C-elementer føres inn i reaksjonskammeret, oppvarmet og dekomponert ved høy temperatur, og deretter blir Si-atomer og C-atomer utfelt på Si-underlaget, eller 6H-Sic, 15R- SIC, 4H-SIC-underlag [11]. Temperaturen på denne reaksjonen er vanligvis mellom 1300-1500 ℃. Vanlige SI -kilder inkluderer SIH4, TCS, MTS, etc., og C -kilder, hovedsakelig inkluderer C2H4, C3H8, etc., med H2 som bærergass. Vekstprosessen inkluderer hovedsakelig følgende trinn: 1. Gassfase -reaksjonskilden transporteres til deponeringssonen i hovedgassstrømmen. 2. Gassfase-reaksjon oppstår i grenselaget for å generere tynnfilmforløpere og biprodukter. 3. Forløperens nedbør, adsorpsjon og sprekker. 4. De adsorberte atomer vandrer og rekonstruerer på underlagsoverflaten. 5. De adsorberte atomene kjerner og vokser på underlagsoverflaten. 6. Massetransporten av avfallsgassen etter reaksjonen i hovedgassstrømningssonen og tas ut av reaksjonskammeret. Figur 2 er et skjematisk diagram over CVD [12].

Figur 2 Skjematisk diagram av CVD

Sublimering Epitaxy (SE) -metode: Figur 3 er et eksperimentelt strukturdiagram over SE-metoden for å fremstille 3C-SIC. Hovedtrinnene er nedbrytning og sublimering av SIC -kilden i den høye temperatursonen, transport av sublimatene, og reaksjonen og krystalliseringen av sublimatene på underlagsoverflaten ved en lavere temperatur. Detaljene er som følger: 6H-SIC eller 4H-SIC-underlag er plassert på toppen av digelen, oghøyrent SiC-pulverbrukes som sic råstoff og plasseres i bunnen avgrafittdigel. Digelen varmes opp til 1900-2100 ℃ ved radiofrekvensinduksjon, og substrattemperaturen kontrolleres til å være lavere enn SiC-kilden, og danner en aksial temperaturgradient inne i digelen, slik at det sublimerte SiC-materialet kan kondensere og krystallisere på substratet å danne 3C-SiC heteroepitaksial.

Fordelene med sublimeringsepitaksi er hovedsakelig i to aspekter: 1. Epitaksitemperaturen er høy, noe som kan redusere krystalldefekter; 2. Den kan etses for å oppnå en etset overflate på atomnivå. Imidlertid kan reaksjonskilden ikke justeres under vekstprosessen, og silisium-karbonforholdet, tiden, ulike reaksjonssekvenser osv. kan ikke endres, noe som resulterer i en reduksjon i kontrollerbarheten av vekstprosessen.

Figur 3. Skjematisk diagram av SE-metoden for dyrking av 3C-SiC-epitaksi

Molecular beam epitaxy (MBE) er en avansert tynnfilmvekstteknologi, som er egnet for dyrking av 3C-SiC epitaksiale lag på 4H-SiC eller 6H-SiC substrater. Grunnprinsippet for denne metoden er: i et miljø med ultrahøyt vakuum, gjennom nøyaktig kontroll av kildegassen, blir elementene i det voksende epitaksiale laget varmet opp for å danne en retningsbestemt atomstråle eller molekylstråle og falle inn på den oppvarmede substratoverflaten for epitaksial vekst. De vanlige betingelsene for dyrking av 3C-SiCepitaksiale lagpå 4H-SiC- eller 6H-SiC-substrater er: under silisiumrike forhold, eksiteres grafen og rene karbonkilder til gassformige stoffer med en elektronkanon, og 1200-1350 ℃ brukes som reaksjonstemperatur. 3C-SiC heteroepitaksial vekst kan oppnås ved en veksthastighet på 0,01-0,1 nms-1 [13].

Konklusjon og utsikter

Gjennom kontinuerlig teknologisk fremgang og en grundig mekanismeforskning, forventes 3C-SIC heteroepitaksial teknologi å spille en viktigere rolle i halvlederindustrien og fremme utviklingen av elektroniske enheter med høy effektivitet. For eksempel å fortsette å utforske nye vekstteknikker og strategier, for eksempel å introdusere HCL -atmosfære for å øke veksthastigheten mens du opprettholder lav defekttetthet, er retningen for fremtidig forskning; Dybdeforskning på defektdannelsesmekanismen, og utvikling av mer avanserte karakteriseringsteknikker, så som fotoluminescens og katodoluminescensanalyse, for å oppnå mer presis defektkontroll og optimalisere materialegenskaper; Rask vekst av tykk film 3C-SIC av høy kvalitet er nøkkelen til å imøtekomme behovene til høyspenningsapparater, og ytterligere forskning er nødvendig for å overvinne balansen mellom veksthastighet og materiell enhetlighet; Kombinert med anvendelsen av 3C-SIC i heterogene strukturer som SIC/GaN, kan du utforske potensielle applikasjoner i nye enheter som Power Electronics, Optoelektronisk integrasjon og kvanteinformasjonsbehandling.

Referanser:

[1] Nishino S, Hazuki Y, Matsunami H, et al. Kjemisk dampavsetning av enkeltkrystallinske β-SIC-filmer på silisiumsubstrat med sputret SIC-mellomlag [J] .journal of the Electrochemical Society, 1980, 127 (12): 2674-2680.

[2] Ye Zhizhen, Wang Yadong, Huang Jingyun, et al.

[3] An Xia, Zhuang Huizhao, Li Huaixiang, et al. Fremstilling av tynne nano-SiC-filmer ved magnetronsputtering på (111) Si-substrat [J] Journal of Shandong Normal University: Natural Science Edition, 2001: 382-384 ..

[4] Seki K, Alexander, Kozawa S, et al. Polytype-selektiv vekst av SiC ved overmetningskontroll i løsningsvekst [J]. Journal of Crystal Growth, 2012, 360:176-180.

[5] Chen Yao, Zhao Fuqiang, Zhu Bingxian, han Shuai.

[6] Li x, Wang G .CVD vekst av 3C-SIC-lag på 4H-SIC-underlag med forbedret morfologi [J]. Solid tilstandskommunikasjon, 2023: 371.

[7] Hou Kaiwen Forskning på Si-mønstret substrat og dets anvendelse i 3C-SiC-vekst [D] Xi'an University of Technology, 2018.

[8] Lars, Hiller, Thomas, et al. Hydrogen Effects in ECR-Etching of 3C-SiC(100) Mesa Structures[J].Materials Science Forum, 2014.

[9] Xu Qingfang Forberedelse av 3C-SiC tynne filmer ved laserkjemisk dampavsetning [D] Wuhan University of Technology, 2016.

[10] Foisal A R M, Nguyen T, Dinh T K, et al.3c-Sic/Si heterostruktur: en utmerket plattform for posisjonsfølsomme detektorer basert på fotovoltaisk effekt [J] .ACS Applied Materials & Interfaces, 2019: 40980-40987.

[11] Xin Bin 3C/4H-SiC heteroepitaksial vekst basert på CVD-prosess: defektkarakterisering og evolusjon [D].

[12] Dong Lin Epitaksial vekstteknologi med stort område og fysisk egenskapskarakterisering av silisiumkarbid [D] University of Chinese Academy of Sciences, 2014.

[13] Diani M, Simon L, Kubler L, et al. Krystallvekst av 3C-SiC-polytype på 6H-SiC(0001)-substrat[J]. Journal of Crystal Growth, 2002, 235(1):95-102.