3C sic'in gelişim geçmişi

Önemli bir form olaraksilikon karbür, kalkınma geçmişi3C-SiCyarı iletken malzeme biliminin sürekli ilerlemesini yansıtır. 1980'lerde Nishino ve ark. ilk olarak kimyasal buhar biriktirme (CVD) [1] yoluyla silikon substratlar üzerinde 4um 3C-SiC ince filmler elde etti ve bu, 3C-SiC ince film teknolojisinin temelini attı.

1990'lar SiC araştırmalarının altın çağıydı. Cree Research Inc., sırasıyla 1991 ve 1994 yıllarında 6H-SiC ve 4H-SiC yongalarını piyasaya sürerek ticarileşmesini teşvik etti.SiC yarı iletken cihazlar. Bu dönemdeki teknolojik ilerleme, 3C-SIC'nin sonraki araştırması ve uygulanması için temel oluşturmuştur.

21. yüzyılın başlarında,Yurtiçi silikon tabanlı SIC ince filmlerda belli ölçüde gelişmiştir. Ye Zhizhen ve ark. 2002 yılında düşük sıcaklık koşullarında CVD ile silikon bazlı SiC ince filmler hazırladı [2]. 2001 yılında An Xia ve ark. oda sıcaklığında magnetron püskürtme yöntemiyle silikon bazlı SiC ince filmler hazırladı [3].

Bununla birlikte, Si'nin kafes sabiti ile SIC sabiti arasındaki büyük fark nedeniyle (yaklaşık%20), 3C-SIC epitaksiyal tabakasının kusur yoğunluğu nispeten yüksektir, özellikle DPB gibi ikiz kusur. Kafes uyumsuzluğunu azaltmak için araştırmacılar, 3C-SIC epitaksiyal tabakasını büyütmek ve kusur yoğunluğunu azaltmak için (0001) yüzeyde 6H-SIC, 15R-SIC veya 4H-SIC kullanırlar. Örneğin, 2012'de Seki, Kazuaki ve ark. Süper doygunluğu kontrol ederek 6H-SIC (0001) yüzey tohumunda 3C-SIC ve 6H-SIC'nin polimorfik seçici büyümesini gerçekleştiren dinamik polimorfik epitaksi kontrol teknolojisini önerdi [4-5]. 2023'te Xun Li gibi araştırmacılar, büyümeyi ve süreci optimize etmek için CVD yöntemini kullandılar ve pürüzsüz bir 3C-SIC başarıyla elde ettilerepitaksiyel katman14um/saatlik bir büyüme hızında 4H-SiC substratının yüzeyinde hiçbir DPB kusuru yoktur[6].

3C sic kristal yapısı ve uygulama alanları

Birçok SiCD politipi arasında 3C-SiC, β-SiC olarak da bilinen tek kübik politiptir. Bu kristal yapıda Si ve C atomları kafes içinde bire bir oranda bulunur ve her atom dört heterojen atomla çevrelenerek güçlü kovalent bağlara sahip dört yüzlü bir yapı birimi oluşturur. 3C-SiC'nin yapısal özelliği, Si-C diatomik katmanlarının ABC-ABC-… sırasına göre tekrar tekrar düzenlenmesi ve her birim hücrenin, C3 temsili olarak adlandırılan bu tür üç diatomik katman içermesidir; 3C-SiC'nin kristal yapısı aşağıdaki şekilde gösterilmektedir:

Şekil 1 3C-SiC'nin kristal yapısı

Şu anda, silikon (SI), güç cihazları için en yaygın kullanılan yarı iletken malzemedir. Bununla birlikte, Si'nin performansı nedeniyle silikon tabanlı güç cihazları sınırlıdır. 4H-SIC ve 6H-SIC ile karşılaştırıldığında, 3C-SIC en yüksek oda sıcaklığı teorik elektron hareketliliğine (1000 cm · v-1 · s-1) sahiptir ve MOS aygıt uygulamalarında daha fazla avantaja sahiptir. Aynı zamanda, 3C-SIC ayrıca yüksek arıza voltajı, iyi termal iletkenlik, yüksek sertlik, geniş bant aralığı, yüksek sıcaklık direnci ve radyasyon direnci gibi mükemmel özelliklere sahiptir. Bu nedenle, aşırı koşullar altında elektronik, optoelektronik, sensörler ve uygulamalarda büyük bir potansiyele sahiptir, ilgili teknolojilerin gelişimini ve yeniliğini teşvik eder ve birçok alanda geniş uygulama potansiyeli gösterir:

Birincisi: Özellikle yüksek voltaj, yüksek frekans ve yüksek sıcaklık ortamlarında, 3C-SiC'nin yüksek arıza voltajı ve yüksek elektron hareketliliği, onu MOSFET gibi güç cihazlarının üretimi için ideal bir seçim haline getirmektedir [7]. İkincisi: 3C-SiC'nin nanoelektronik ve mikroelektromekanik sistemlerde (MEMS) uygulanması, silikon teknolojisiyle uyumluluğundan yararlanır ve nanoelektronik ve nanoelektromekanik cihazlar gibi nano ölçekli yapıların üretimine olanak tanır [8]. Üçüncüsü: Geniş bant aralıklı bir yarı iletken malzeme olarak 3C-SiC, aşağıdakilerin üretimi için uygundur:mavi ışık yayan diyotlar(LED'ler). Aydınlatma, görüntüleme teknolojisi ve lazerlerdeki uygulamaları, yüksek ışık verimliliği ve kolay katkılanması nedeniyle dikkat çekmiştir [9]. Dördüncüsü: Aynı zamanda 3C-SiC, sıfır öngerilim koşulları altında yüksek hassasiyet gösteren ve hassas konumlandırmaya uygun, pozisyona duyarlı dedektörler, özellikle yanal fotovoltaik etkiye dayalı lazer noktası pozisyona duyarlı dedektörler üretmek için kullanılır [10] .

3. 3C sic heteroepitaksinin hazırlama yöntemi

3C-SIC heteroepitaksinin ana büyüme yöntemleriKimyasal buhar birikimi (CVD), Süblimasyon epitaksisi (SE), sıvı faz epitaksi (LPE), moleküler ışın epitaksi (MBE), magnetron püskürtme, vb. epitaksiyal tabaka).

Kimyasal buhar birikimi (CVD): Si ve C elemanlarını içeren bileşik bir gaz reaksiyon odasına geçirilir, ısıtılır ve yüksek sıcaklıkta ayrıştırılır ve daha sonra Si atomları ve C atomları Si substratı veya 6H-Sic, 15R- Sic, 4H-SIC substratı [11]. Bu reaksiyonun sıcaklığı genellikle 1300-1500 ℃ arasındadır. Yaygın SI kaynakları arasında SIH4, TCS, MTS, vb. Ve C kaynakları arasında, H2 ile taşıyıcı gaz olarak C2H4, C3H8, vb. Büyüme işlemi esas olarak aşağıdaki adımları içerir: 1. Gaz fazı reaksiyon kaynağı, ana gaz akışındaki birikme bölgesine taşınır. 2. Gaz fazı reaksiyonu, ince film öncüleri ve yan ürünler üretmek için sınır tabakasında meydana gelir. 3. Öncünün yağış, adsorpsiyon ve çatlama işlemi. 4. Adsorbe edilmiş atomlar, substrat yüzeyinde göç eder ve yeniden yapılandırır. 5. Adsorbe edilen atomlar substrat yüzeyinde çekirdektir ve büyür. 6. Reaksiyondan sonra atık gazın ana gaz akış bölgesine kütle taşınması ve reaksiyon odasından çıkarılır. Şekil 2, CVD'nin şematik bir diyagramıdır [12].

Şekil 2 CVD'nin şematik diyagramı

Süblimasyon epitaksi (SE) yöntemi: Şekil 3, 3C-SiC'nin hazırlanmasına yönelik SE yönteminin deneysel yapı diyagramıdır. Ana adımlar, SiC kaynağının yüksek sıcaklık bölgesinde ayrışması ve süblimleşmesi, süblimatların taşınması ve süblimatların altlık yüzeyinde daha düşük bir sıcaklıkta reaksiyonu ve kristalleşmesidir. Detaylar şu şekildedir: 6H-SiC veya 4H-SiC substratı potanın tepesine yerleştirilir veyüksek saflıkta SiC tozusic hammaddesi olarak kullanılır vegrafit pota. Pota, radyo frekansı indüksiyonu ile 1900-2100 ° C'ye ısıtılır ve alt tabaka sıcaklığı, SiC kaynağından daha düşük olacak şekilde kontrol edilir, böylece potanın içinde eksenel bir sıcaklık gradyanı oluşturulur, böylece süblimleştirilmiş SiC malzemesi alt tabaka üzerinde yoğunlaşabilir ve kristalleşebilir. 3C-SiC heteroepitaksiyel oluşturmak için.

Süblimasyon epitaksisinin avantajları temel olarak iki açıdandır: 1. Epitaksi sıcaklığı yüksektir, bu da kristal kusurlarını azaltabilir; 2. Atomik düzeyde kazınmış bir yüzey elde etmek için aşındırılabilir. Ancak büyüme süreci sırasında reaksiyon kaynağının ayarlanamaması ve silikon-karbon oranının, zamanın, çeşitli reaksiyon dizilerinin vs. değiştirilememesi, büyüme sürecinin kontrol edilebilirliğinin azalmasına neden olur.

Şekil 3 3C-SIC epitaksinin büyümesi için SE yönteminin şematik diyagramı

Moleküler ışın epitaksi (MBE), 4H-SIC veya 6H-SIC substratlarında 3C-SIC epitaksiyal katmanları yetiştirmek için uygun olan gelişmiş bir ince film büyüme teknolojisidir. Bu yöntemin temel prensibi: ultra yüksek bir vakum ortamında, kaynak gazın kesin kontrolü yoluyla, büyüyen epitaksiyal tabakanın elemanları, yönlü bir atomik ışın veya moleküler ışın oluşturmak için ısıtılır ve ısıtmalı substrat yüzeyinde olay için olaydır ve epitaksiyal büyüme. 3C-SIC yetiştirmek için ortak koşullarepitaksiyel katmanlar4H-SIC veya 6H-SIC substratlarında şunlardır: Silikon açısından zengin koşullar altında, grafen ve saf karbon kaynakları bir elektron tabancası olan gaz maddelerine uyarılır ve reaksiyon sıcaklığı olarak 1200-1350 ℃ kullanılır. 3C-SIC heteroepitaksiyal büyüme 0.01-0.1 NMS-1 büyüme oranında elde edilebilir [13].

Sonuç ve Beklenti

Sürekli teknolojik ilerleme ve derinlemesine mekanizma araştırması sayesinde, 3C-SiC heteroepitaksiyel teknolojisinin yarı iletken endüstrisinde daha önemli bir rol oynaması ve yüksek verimli elektronik cihazların geliştirilmesini teşvik etmesi bekleniyor. Örneğin, düşük kusur yoğunluğunu korurken büyüme oranını artırmak için HCl atmosferinin tanıtılması gibi yeni büyüme teknikleri ve stratejilerini keşfetmeye devam etmek gelecekteki araştırmaların yönüdür; kusur oluşum mekanizması üzerine derinlemesine araştırma ve daha hassas kusur kontrolü sağlamak ve malzeme özelliklerini optimize etmek için fotolüminesans ve katodolüminesans analizi gibi daha gelişmiş karakterizasyon tekniklerinin geliştirilmesi; yüksek kaliteli kalın film 3C-SiC'nin hızlı büyümesi, yüksek voltajlı cihazların ihtiyaçlarını karşılamanın anahtarıdır ve büyüme hızı ile malzeme tekdüzeliği arasındaki dengenin üstesinden gelmek için daha fazla araştırmaya ihtiyaç vardır; 3C-SiC'nin SiC/GaN gibi heterojen yapılara uygulanmasıyla bir araya getirilerek güç elektroniği, optoelektronik entegrasyon ve kuantum bilgi işleme gibi yeni cihazlardaki potansiyel uygulamaları araştırılıyor.

Referanslar:

[1] Nishino S, Hazuki Y, Matsunami H, et al. Püskürtülmüş SIC ara tabakası [J] ile silikon substrat üzerinde tek kristalin-SIC filmlerinin kimyasal buhar birikimi, Elektrokimyasal Toplumun Dergisi, 1980, 127 (12): 2674-2680.

[2] Ye Zhizhen, Wang Yadong, Huang Jingyun ve diğerleri. Silikon bazlı silisyum karbür ince filmlerin düşük sıcaklıkta büyümesi üzerine araştırma [J] Journal of Vacuum Science and Technology, 2002, 022(001):58-60. .

[3] Anksia, Zhuang Huizhao, Li Huaixiang, nano-sic filmini manyetik püskürtme yöntemine hazırlamak için.

[4] Seki K, Alexander, Kozawa S, et al. Çözelti büyümesinde aşırı doygunluk kontrolü ile SiC'nin politip seçici büyümesi[J]. Kristal Büyüme Dergisi, 2012, 360:176-180.

[5] Chen Yao, Zhao Fuqiang, Zhu Bingxian, He Shuai. Yurt içi ve yurt dışındaki silisyum karbür güç cihazlarının geliştirilmesine genel bakış [J]. Araç ve Güç Teknolojisi, 2020: 49-54.

[6] Li X, Wang G. Geliştirilmiş morfolojiye sahip 4H-SiC substratları üzerinde 3C-SiC katmanlarının CVD büyümesi[J].Solid State Communications, 2023:371.

[7] Hou Kaiwen.

[8] Lars, Hiller, Thomas ve ark. 3C-SIC (100) MESA yapılarının ECR-Letchinginde Hidrojen Etkileri [J] Malzeme Bilim Forumu, 2014.

[9] Xu Qingfang. Lazer kimyasal buhar biriktirme yoluyla 3C-SiC ince filmlerin hazırlanması [D]. Wuhan Teknoloji Üniversitesi, 2016.

[10] Foisal A RM, Nguyen T, Dinh T K, et al.3C-Sic/Si heteroducture: Fotovoltaik etkiye dayalı pozisyona duyarlı dedektörler için mükemmel bir platform [J] .ACS Uygulamalı Malzemeler ve Arayüzler, 2019: 40980-40987.

[11] Xin Bin.

[12] Dong Lin.

[13] Diani M, Simon L, Kubler L,et al. 6H-SiC(0001) substratı[J] üzerinde 3C-SiC politipinin kristal büyümesi. Kristal Büyüme Dergisi, 2002, 235(1):95-102.