História vývoja 3C SIC

Ako dôležitá formakarbid kremíka, história 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.

V deväťdesiatych rokoch bol Zlatý vek výskumu SIC. Cree Research Inc. spustila v rokoch 1991 a 1994 čipy 6h-SIC a 4H-SIC, čo propaguje komercializáciuSiC polovodičové zariadenia. Technologický pokrok v tomto období položil základ pre následný výskum a aplikáciu 3C-SiC.

Začiatkom 21. storočia,domáce 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 substráte 4H-SiC pri rýchlosti rastu 14UM/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 výkonové 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 v prostrediach s vysokým napätím, vysokofrekvenčným a vysokým teplotám, vysoké rozpadové napätie a vysoká mobilita elektrónov 3C-SIC z neho robí ideálnu voľbu pre výrobu energetických zariadení, ako je MOSFET [7]. Po druhé: Aplikácia 3C-SIC v nanoelektronike a mikroelektromechanických systémoch (MEMS) ťaží z jej kompatibility s kremíkovou technológiou, ktorá umožňuje výrobu nanomaterských štruktúr, ako je nanoelektronika a nanoelektromechanické zariadenia [8]. Po tretie: Ako široký bandgap polovodičový materiál je 3C-SIC vhodný na výrobuDiódy emitujúce modré 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

Hlavné metódy rastu heteroepitaxie 3C-SIC zahŕňajúukladanie chemickej pary (CVD), sublimačná epitaxia (SE), Epitaxia kvapalnej fázy (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).

Ukladanie chemickej pary (CVD): Zlúčenina plynu obsahujúci prvky SI a C sa prenesie do reakčnej komory, zahrieva sa a rozkladá pri vysokej teplote a potom sa atómy SI a atómy C zrážajú na substrát SI alebo 6H SIC, substrát 4H-SiC [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., S H2 ako nosný plyn. Proces rastu obsahuje hlavne nasledujúce kroky: 1. Zdroj reakčnej fázy plynu sa prepravuje do depozičnej zóny v hlavnom toku plynu. 2. K plynovej fáze sa vyskytuje v hraničnej vrstve, aby sa vytvorili prekurzory tenkého filmu a vedľajšie produkty. 3. Zrážky, adsorpčný a krakovací proces prekurzora. 4. Adsorbované atómy migrujú a rekonštruujú na povrchu substrátu. 5. Adsorbované atómy nukleatu a rastú na povrchu substrátu. 6. Hromadný transport odpadového plynu po reakcii do hlavnej zóny prietoku plynu a je vyradený z reakčnej komory. Obrázok 2 je schematický diagram CVD [12].

Obrázok 2 Schematický diagram CVD

Sublimačná epitaxia (SE) Metóda: Obrázok 3 je experimentálna štruktúra diagram metódy SE na prípravu 3C-SIC. Hlavnými krokmi sú rozklad a sublimácia zdroja SIC v zóne s vysokou teplotou, transport sublimátov a reakcia a kryštalizácia sublimátov na povrchu substrátu pri nižšej teplote. Podrobnosti sú tietovysoko čistý SiC prášoksa používa ako SiC surovina a umiestňuje sa na spodokgrafitový téglik. Crucible sa zahrieva na 1900-2100 ℃ pomocou rádiovej frekvenčnej indukcie a teplota substrátu je regulovaná 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 na vytvorenie heteroepitaxiálneho 3C-siC.

Výhody sublimačnej epitaxie sú hlavne v dvoch aspektoch: 1. Teplota epitaxie je vysoká, čo môže znížiť defekty kryštálov; 2. Môže sa vylepšiť, aby sa získal leptaný povrch na atómovej úrovni. Počas procesu rastu sa však nemožno upraviť zdrojom reakcie a pomer kremíka-uhlíka, čas, rôzne reakčné sekvencie atď. Nedá sa zmeniť, čo vedie k zníženiu kontrolovateľnosti procesu rastu.

Obrázok 3 Schematický diagram metódy SE na pestovanie 3C-SIC Epitaxy

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-SiCepitaxiálne 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

Prostredníctvom nepretržitého technologického pokroku a výskumu hĺbkového mechanizmu sa očakáva, že heteroepitaxiálna technológia 3C-SIC bude hrať v polovodičovom priemysle dôležitejšiu úlohu a podporí vývoj vysokoúčinných elektronických zariadení. Napríklad pokračovanie v skúmaní nových techník a stratégií rastu, ako je zavedenie atmosféry HCL na zvýšenie rýchlosti rastu pri zachovaní nízkej hustoty defektov, je smerom budúceho výskumu; hĺbkový výskum mechanizmu tvorby defektov a vývoja pokročilejších techník charakterizácie, ako je fotoluminiscencia a katodoluminiscenčná analýza, na dosiahnutie presnejšej kontroly defektov a optimalizáciu materiálových vlastností; Rýchly rast vysoko kvalitného hrubého filmu 3C-SIC je kľúčom k uspokojeniu potrieb zariadení s vysokým napätím a je potrebný ďalší výskum na prekonanie rovnováhy medzi rýchlosťou rastu a materiálovou jednotnosťou; V kombinácii s aplikáciou 3C-SIC v heterogénnych štruktúrach, ako je SIC/GAN, preskúmajte jeho potenciálne aplikácie v nových zariadeniach, ako je elektronika výkonu, optoelektronická integrácia a spracovanie kvantových informácií.

Referencie:

[1] Nishino S, Hazuki Y, Matsunami H, a kol. Chemická depozícia pary jednotlivých kryštalických p-SIC filmov na kremíkovom substráte s naprašenou strednou vrstvou SIC [J].

[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, Shuai.

[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.

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

[9] Xu Qingfang.

[10] Foisal A R M, Nguyen T, Dinh T K, a kol.

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

[12] Dong Lin.

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