Razvojna zgodovina 3C sic

Kot pomembna oblikasilicijev karbid, zgodovina razvoja3C-SiCodraža nenehni napredek polprevodniške znanosti o materialih. V osemdesetih letih prejšnjega stoletja sta Nishino in sod. Najprej je na silicijevih substratih prvič dobil 4um 3C-SIC s kemičnimi odlaganjem hlapov (CVD) [1], ki je postavil temelje za 3C-SiC-ta tanko filmsko tehnologijo.

Devetdeseta leta prejšnjega stoletja so bila zlata doba raziskav SiC. Cree Research Inc. je leta 1991 in 1994 lansiral čipe 6H-SiC in 4H-SiC, s čimer je spodbujal komercializacijoSic polprevodniške naprave. Tehnološki napredek v tem obdobju je postavil temelje za nadaljnje raziskave in uporabo 3C-SiC.

V začetku 21. stoletja,domače SiC tanke plasti na osnovi silicijado določene mere tudi razvila. Ye Zhizhen et al. leta 2002 pripravil tanke plasti SiC na osnovi silicija s CVD pri nizkih temperaturah [2]. Leta 2001 sta An Xia et al. pripravljene tanke plasti SiC na osnovi silicija z magnetronskim razprševanjem pri sobni temperaturi [3].

Vendar pa je zaradi velike razlike med konstanto rešetke Si in konstanto SiC (približno 20 %) gostota napak epitaksialne plasti 3C-SiC razmeroma visoka, zlasti napake dvojčka, kot je DPB. Da bi zmanjšali neujemanje mreže, raziskovalci uporabljajo 6H-SiC, 15R-SiC ali 4H-SiC na površini (0001) kot substrat za rast epitaksialne plasti 3C-SiC in zmanjšanje gostote napak. Na primer, leta 2012 so Seki, Kazuaki et al. je predlagal tehnologijo dinamične polimorfne epitaksije za nadzor, ki realizira polimorfno selektivno rast 3C-SiC in 6H-SiC na površinskem semenu 6H-SiC (0001) z nadzorom prenasičenosti [4-5]. Leta 2023 so raziskovalci, kot je Xun Li, uporabili metodo CVD za optimizacijo rasti in procesa ter uspešno pridobili gladek 3C-SiCepitaksialni slojbrez napak DPB na površini na substratu 4H-SiC pri hitrosti rasti 14 um/h [6].

Kristalna struktura in področja uporabe 3C SiC

Med številnimi SICD politipi je 3C-SIC edini kubični politip, znan tudi kot β-SIC. V tej kristalni strukturi atomi SI in C obstajajo v razmerju med ena in ena v rešetki, vsak atom pa je obdan s štirimi heterogenimi atomi, ki tvorijo tetraedrsko strukturno enoto z močnimi kovalentnimi vezmi. Strukturna značilnost 3C-SIC je, da so diatomske plasti SI-C večkrat razporejene v vrstnem redu ABC-ABC-…, vsaka enotna celica pa vsebuje tri takšne diatomične plasti, ki se imenuje C3 reprezentacija; Kristalna struktura 3C-SIC je prikazana na spodnji sliki:

Slika 1 Kristalna struktura 3C-Sic

Trenutno je silicij (SI) najpogosteje uporabljen polprevodniški material za napajalne naprave. Vendar pa so zaradi zmogljivosti SI silicijeve naprave na osnovi silicija omejene. V primerjavi s 4H-SIC in 6H-SIC ima 3C-SIC najvišjo sobno temperaturno teoretično mobilnost elektronov (1000 cm · V-1 · S-1) in ima več prednosti v aplikacijah MOS naprav. Hkrati ima 3C-SIC tudi odlične lastnosti, kot so visoka razčlenjena napetost, dobra toplotna prevodnost, visoka trdota, širok pas, visoka temperaturna odpornost in odpornost na sevanje. Zato ima velik potencial na področju elektronike, optoelektronike, senzorjev in aplikacij v ekstremnih pogojih, ki spodbuja razvoj in inovacije povezanih tehnologij ter prikazuje širok potencial uporabe na mnogih področjih:

Prvič: Zlasti v okoljih z visoko napetostjo, visoko frekvenco in visoko temperaturo je zaradi visoke prebojne napetosti in visoke mobilnosti elektronov 3C-SiC idealna izbira za proizvodnjo močnostnih naprav, kot je MOSFET [7]. Drugič: uporaba 3C-SiC v nanoelektroniki in mikroelektromehanskih sistemih (MEMS) ima koristi od njegove združljivosti s silicijevo tehnologijo, kar omogoča izdelavo nanometrskih struktur, kot so nanoelektronika in nanoelektromehanske naprave [8]. Tretjič: Kot polprevodniški material s širokim pasovnim razmakom je 3C-SiC primeren za izdelavomodre svetleče diode(LED). Njegova uporaba v razsvetljavi, zaslonski tehnologiji in laserjih je pritegnila pozornost zaradi visoke svetlobne učinkovitosti in enostavnega dopiranja [9]. Četrtič: Hkrati se 3C-SiC uporablja za izdelavo pozicijsko občutljivih detektorjev, zlasti lasersko točkovnih pozicijsko občutljivih detektorjev, ki temeljijo na lateralnem fotovoltaičnem učinku, ki kažejo visoko občutljivost pri ničelnih prednapetostih in so primerni za natančno pozicioniranje [10]. .

3. Metoda priprave 3C SiC heteroepitaksije

Glavne metode rasti 3C-SIC heteroepitaxy vključujejokemično naparjevanje (CVD), Sublimacijska epitaksija (SE), Epitaksija tekoče faze (LPE), Epitaksija molekularnega žarka (MBE), magnetronsko brizganje itd. CVD je najprimernejša metoda za 3C-SIC epitaksija zaradi njegove obvladljivosti in prilagodljivosti (kot so temperatura, pretok plina, tlak komore in reakcijski čas, ki lahko optimizira kakovost kakovosti tega Epitaksialna plast).

Kemično naparjevanje (CVD): Sestavljeni plin, ki vsebuje elemente Si in C, se spusti v reakcijsko komoro, segreje in razgradi pri visoki temperaturi, nato pa se atomi Si in atomi C oborijo na Si substrat ali 6H-SiC, 15R- SiC, substrat 4H-SiC [11]. Temperatura te reakcije je običajno med 1300-1500 ℃. Pogosti viri Si vključujejo SiH4, TCS, MTS itd., viri C pa večinoma vključujejo C2H4, C3H8 itd., s H2 kot nosilnim plinom. Proces rasti v glavnem vključuje naslednje korake: 1. Reakcijski vir plinske faze se v glavnem toku plina transportira v območje usedanja. 2. Reakcija plinske faze poteka v mejni plasti, da nastanejo predhodniki tankih filmov in stranski produkti. 3. Proces obarjanja, adsorpcije in razpokanja predhodnika. 4. Adsorbirani atomi migrirajo in se rekonstruirajo na površini substrata. 5. Adsorbirani atomi nukleirajo in rastejo na površini substrata. 6. Masni transport odpadnega plina po reakciji v območje glavnega toka plina in se odvede iz reakcijske komore. Slika 2 je shematski diagram KVB [12].

Slika 2 Shematski diagram KVB

Metoda sublimacije epitaksija (SE): Slika 3 je eksperimentalni strukturni diagram metode SE za pripravo 3C-SIC. Glavni koraki so razgradnja in sublimacija vira SIC v visokotemperaturnem območju, transport sublimatov ter reakcija in kristalizacija sublimatov na površini podlage pri nižji temperaturi. Podrobnosti so naslednje: 6H-sic ali 4H-sic substrat je nameščen na vrhu lončka inSiC prah visoke čistostise uporablja kot surovina SiC in se postavi na dnoGrafitni lonček. Lon se segreje na 1900–2100 ℃ z radiofrekvenčno indukcijo, temperatura podlage pa je nadzorovana na nižjo od vira SIC, ki tvori osni temperaturni gradient znotraj lončka, tako da se lahko sublimirani material SIC kondenzira in kristalizira na substratu Za tvorbo 3C-SIC heteroepitaxial.

Prednosti sublimacijske epitaksije so predvsem v dveh vidikih: 1. Temperatura epitaksije je visoka, kar lahko zmanjša kristalne napake; 2. Lahko ga jedkamo, da dobimo jedkano površino na atomski ravni. Vendar med procesom rasti ni mogoče prilagoditi vira reakcije in ni mogoče spremeniti razmerja silicij-ogljik, časa, različnih reakcijskih zaporedij itd., kar ima za posledico zmanjšanje obvladljivosti procesa rasti.

Slika 3 Shematski diagram SE metode za gojenje 3C-SIC epitaksije

Epitaksija molekularnega žarka (MBE) je napredna tehnologija rasti tankih filmov, ki je primerna za gojenje 3C-SIC epitaksialnih plasti na podlagah 4H-SIC ali 6H-SIC. Osnovno načelo te metode je: V ultra visokem vakuumskem okolju se z natančnim nadzorom izvornega plina elementi rastoče epitaksialne plasti segrejejo tako Epitaksialna rast. Skupni pogoji za gojenje 3c-sicEpitaksialne plastiNa podlagi 4H-SIC ali 6H-SIC so: V pogojih, bogatih s silicijem, se grafen in čisti viri ogljika vzbudijo v plinaste snovi z elektronsko pištolo, 1200-1350 ℃ pa se uporablja kot reakcijska temperatura. 3C-SIC heteroepitaksialna rast lahko dobimo s hitrostjo rasti 0,01-0,1 NMS-1 [13].

Zaključek in perspektiva

Z nenehnim tehnološkim napredkom in poglobljenimi raziskavami mehanizmov naj bi heteroepitaksialna tehnologija 3C-SiC igrala pomembnejšo vlogo v industriji polprevodnikov in spodbujala razvoj visoko učinkovitih elektronskih naprav. Na primer, nadaljevanje raziskovanja novih tehnik in strategij rasti, kot je uvedba atmosfere HCl za povečanje stopnje rasti ob ohranjanju nizke gostote napak, je smer prihodnjih raziskav; poglobljene raziskave o mehanizmu nastajanja napak in razvoj naprednejših tehnik karakterizacije, kot sta fotoluminiscenčna in katodoluminiscenčna analiza, da bi dosegli natančnejši nadzor napak in optimizirali lastnosti materiala; hitra rast visokokakovostnega debelega filma 3C-SiC je ključnega pomena za izpolnjevanje potreb visokonapetostnih naprav, zato so potrebne nadaljnje raziskave, da bi presegli ravnovesje med hitrostjo rasti in enotnostjo materiala; v kombinaciji z uporabo 3C-SiC v heterogenih strukturah, kot je SiC/GaN, raziščite njegove potencialne aplikacije v novih napravah, kot so močnostna elektronika, optoelektronska integracija in kvantna obdelava informacij.

Reference:

[1] Nishino S, Hazuki Y, Matsunami H, et al. Kemično naparjanje monokristalnih filmov β-SiC na silicijev substrat z napršeno vmesno plastjo SiC [J]. Journal of The Electrochemical Society, 1980, 127(12):2674-2680.

[2] Ye Zhizhen, Wang Yadong, Huang Jingyun in sod.

[3] An Xia, Zhuang Huizhao, Li Huaixiang, et al. Priprava nano-SiC tankih filmov z magnetronskim razprševanjem na (111) Si substrat [J]. Journal of Shandong Normal University, 2001: 382-384 ..

[4] Seki K, Alexander, Kozawa S et al. Polip-selektivna rast SIC s nadzorovanjem prenasičenosti pri rasti raztopin [J]. Journal of Crystal Growth, 2012, 360: 176-180.

[5] Chen Yao, Zhao Fuqiang, Zhu Bingxian, He Shuai Pregled razvoja naprav iz silicijevega karbida doma in v tujini [J].

[6] Li X, Wang G. CVD rast plasti 3C-SiC na substratih 4H-SiC z izboljšano morfologijo [J].Solid State Communications, 2023:371.

[7] Hou Kaiwen Raziskave substrata z vzorcem Si in njegove uporabe pri rasti 3C-SiC [D]. Tehnološka univerza Xi'an.

[8]Lars, Hiller, Thomas, et al. Učinki vodika pri ECR-jedkanju meza struktur 3C-SiC(100) [J]. Forum znanosti o materialih, 2014.

[9] Xu Qingfang.

[10] Foisal A R M, Nguyen T, Dinh T K in sod. 3C-SIC/SI heterostruktura: odlična platforma za detektorje, ki so občutljivi na položaj, ki temelji na fotovoltaičnem učinku [J] .ACS Applied Materials & Interfaces, 2019: 40980-40987.

[11] Xin Bin.

[12] Dong Lin.

[13] Diani M, Simon L, Kubler L in sod. Kristalna rast 3C-SIC politipa na 6H-SIC (0001) substratu [J]. Journal of Crystal Growth, 2002, 235 (1): 95–102.