A 3C SiC fejlődéstörténete

Mint fontos formájaszilícium-karbid, fejlődéstörténete3C-SiCtükrözi a félvezető anyagtudomány folyamatos fejlődését. Az 1980-as években Nishino et al. először 4um 3C-SiC vékonyrétegeket állítottak elő szilícium szubsztrátumokon kémiai gőzleválasztással (CVD) [1], amely megalapozta a 3C-SiC vékonyréteg-technológiát.

Az 1990-es évek a SiC-kutatás aranykora volt. A Cree Research Inc. 1991-ben, illetve 1994-ben dobta piacra a 6H-SiC és 4H-SiC chipeket, ezzel is elősegítve aSiC félvezető eszközök. Ebben az időszakban a technológiai fejlődés megalapozta a 3C-SiC későbbi kutatását és alkalmazását.

A 21. század elejénhazai szilícium alapú SiC vékonyrétegekbizonyos mértékig fejlődött is. Ye Zhizhen et al. szilícium alapú SiC vékonyrétegeket állított elő CVD-vel alacsony hőmérsékleten 2002-ben [2]. 2001-ben An Xia et al. szilícium alapú SiC vékonyrétegeket készítettek magnetronos porlasztással szobahőmérsékleten [3].

Azonban a Si és a SiC rácsállandója közötti nagy különbség miatt (körülbelül 20%) a 3C-SiC epitaxiális réteg hibasűrűsége viszonylag magas, különösen az iker hiba, például a DPB. A rács eltérésének csökkentése érdekében a kutatók 6H-SiC-et, 15R-SiC-et vagy 4H-SiC-ot használnak a (0001) felületén szubsztrátként a 3C-SiC epitaxiális réteg növekedéséhez és a hibasűrűség csökkentéséhez. Például 2012-ben Seki, Kazuaki et al. javasolta a dinamikus polimorf epitaxiás szabályozási technológiát, amely a 3C-SiC és 6H-SiC polimorf szelektív növekedését valósítja meg a 6H-SiC (0001) felszíni magokon a túltelítettség szabályozásával [4-5]. 2023-ban olyan kutatók, mint Xun Li, a CVD-módszert használták a növekedés és a folyamat optimalizálására, és sikeresen sima 3C-SiC-t kaptak.epitaxiális rétegDPB hibák nélkül a felületen 4H-SiC hordozón 14 um/h növekedési sebesség mellett[6].

A 3C SiC kristályszerkezete és alkalmazási területei

Sok SiCD politípus közül a 3C-SiC az egyetlen köbös politípus, más néven β-SiC. Ebben a kristályszerkezetben a Si és C atomok egy-egy arányban léteznek a rácsban, és mindegyik atomot négy heterogén atom vesz körül, amelyek erős kovalens kötésekkel tetraéderes szerkezeti egységet alkotnak. A 3C-SiC szerkezeti jellemzője, hogy a Si-C kétatomos rétegek ismétlődően ABC-ABC-… sorrendben vannak elrendezve, és minden egyes cella három ilyen kétatomos réteget tartalmaz, amit C3 reprezentációnak nevezünk; A 3C-SiC kristályszerkezetét az alábbi ábra mutatja:

1. ábra A 3C-SiC kristályszerkezete

Jelenleg a szilícium (Si) a leggyakrabban használt félvezető anyag az erősáramú eszközökben. Az Si teljesítménye miatt azonban a szilícium alapú tápegységek korlátozottak. A 4H-SiC-hez és a 6H-SiC-hez képest a 3C-SiC rendelkezik a legmagasabb szobahőmérsékletű elméleti elektronmobilitással (1000 cm·V-1·S-1), és több előnnyel rendelkezik a MOS eszközök alkalmazásaiban. Ugyanakkor a 3C-SiC olyan kiváló tulajdonságokkal is rendelkezik, mint a nagy áttörési feszültség, jó hővezető képesség, nagy keménység, széles sávszélesség, magas hőmérséklet- és sugárzásállóság. Ezért nagy potenciállal rendelkezik az elektronikában, optoelektronikában, szenzorokban és extrém körülmények közötti alkalmazásokban, elősegítve a kapcsolódó technológiák fejlesztését és innovációját, és számos területen széles körű alkalmazási potenciált mutat:

Először is: Különösen nagyfeszültségű, nagyfrekvenciás és magas hőmérsékletű környezetben, a 3C-SiC nagy áttörési feszültsége és nagy elektronmobilitása ideális választássá teszi az olyan teljesítményeszközök gyártásához, mint a MOSFET [7]. Másodszor: A 3C-SiC nanoelektronikai és mikroelektromechanikai rendszerekben (MEMS) való alkalmazása előnyt jelent a szilíciumtechnológiával való kompatibilitásából, ami lehetővé teszi nanoméretű szerkezetek, például nanoelektronika és nanoelektromechanikai eszközök gyártását [8]. Harmadszor: A 3C-SiC széles sávszélességű félvezető anyagként alkalmaskék fénykibocsátó diódák(LED-ek). Alkalmazása világításban, kijelzőtechnológiában és lézerekben nagy fényhatékonysága és könnyű doppingolása miatt hívta fel magára a figyelmet [9]. Negyedszer: Ugyanakkor a 3C-SiC-ből helyzetérzékeny detektorokat gyártanak, különösen az oldalirányú fotovoltaikus hatáson alapuló lézerpontos pozícióérzékeny detektorokat, amelyek nulla előfeszítés mellett nagy érzékenységet mutatnak, és alkalmasak a precíz pozicionálásra [10] .

3. 3C SiC heteroepitaxia előállítási módszere

A 3C-SiC heteroepitaxia fő növekedési módszerei közé tartozikkémiai gőzleválasztás (CVD), szublimációs epitaxia (SE), folyadékfázisú epitaxia (LPE), molekuláris nyaláb epitaxia (MBE), magnetron porlasztás stb. A CVD a 3C-SiC epitaxia előnyben részesített módszere szabályozhatósága és alkalmazkodóképessége miatt (például hőmérséklet, gázáramlás, kamranyomás és reakcióidő, amelyek optimalizálhatják a epitaxiális réteg).

Kémiai gőzleválasztás (CVD): Si- és C-elemeket tartalmazó összetett gázt vezetnek a reakciókamrába, felmelegítik és magas hőmérsékleten lebontják, majd Si- és C-atomokat csapnak ki a Si-szubsztrátumra, vagy 6H-SiC, 15R- SiC, 4H-SiC szubsztrát [11]. Ennek a reakciónak a hőmérséklete általában 1300-1500 ℃. A gyakori Si-források közé tartozik a SiH4, TCS, MTS stb., a C-források pedig főleg a C2H4-et, C3H8-at stb. tartalmazzák, vivőgázként H2-vel. A növekedési folyamat főként a következő lépésekből áll: 1. A gázfázisú reakcióforrás a fő gázáramban a lerakódási zónába kerül. 2. A határrétegben gázfázisú reakció megy végbe, és vékonyréteg-prekurzorok és melléktermékek keletkeznek. 3. A prekurzor kiválási, adszorpciós és repedési folyamata. 4. Az adszorbeált atomok a szubsztrát felületén vándorolnak és rekonstruálódnak. 5. Az adszorbeált atomok magot képeznek és a szubsztrát felületén nőnek. 6. A füstgáz tömegszállítása a reakció után a fő gázáramlási zónába, és kikerül a reakciókamrából. A 2. ábra a CVD sematikus diagramja [12].

2. ábra A CVD sematikus diagramja

Szublimációs epitaxiás (SE) módszer: A 3. ábra a 3C-SiC előállítására szolgáló SE módszer kísérleti szerkezeti diagramja. A fő lépések a SiC forrás lebontása és szublimációja a magas hőmérsékletű zónában, a szublimátumok szállítása, valamint a szublimátumok reakciója és kristályosodása a hordozó felületén alacsonyabb hőmérsékleten. A részletek a következők: 6H-SiC vagy 4H-SiC szubsztrátot helyeznek a tégely tetejére, ésnagy tisztaságú SiC porSiC nyersanyagként használják, és az aljára helyezikgrafittégely. A tégelyt rádiófrekvenciás indukcióval 1900-2100 ℃-ra hevítik, és a hordozó hőmérsékletét a SiC forrásnál alacsonyabbra szabályozzák, ami a tégely belsejében tengelyirányú hőmérsékleti gradienst képez, így a szublimált SiC anyag lecsapódhat és kikristályosodhat a hordozón. hogy 3C-SiC heteroepitaxiális.

A szublimációs epitaxia előnyei főként két vonatkozásban vannak: 1. Az epitaxiás hőmérséklet magas, ami csökkentheti a kristályhibákat; 2. Maratással atomi szinten maratott felületet kapunk. A tenyésztési folyamat során azonban a reakcióforrás nem állítható, a szilícium-szén arány, az idő, a különböző reakciósorrendek stb. nem változtathatók, ami a növekedési folyamat szabályozhatóságának csökkenését eredményezi.

3. ábra SE módszer vázlatos diagramja 3C-SiC epitaxia növelésére

A Molecular Beam epitaxy (MBE) egy fejlett vékonyréteg-növekedési technológia, amely alkalmas 3C-SiC epitaxiális rétegek növesztésére 4H-SiC vagy 6H-SiC szubsztrátumokon. Ennek a módszernek az alapelve: ultranagy vákuumkörnyezetben a forrásgáz precíz szabályozásával a növekvő epitaxiális réteg elemei felhevülnek, hogy irányított atomnyalábot vagy molekulanyalábot képezzenek, és a fűtött szubsztrátum felületére essen. epitaxiális növekedés. A 3C-SiC termesztésének általános feltételeiepitaxiális rétegek4H-SiC vagy 6H-SiC szubsztrátumokon: szilíciumban gazdag körülmények között a grafént és a tiszta szénforrásokat elektronágyúval gáznemű anyagokká gerjesztik, reakcióhőmérsékletként 1200-1350 ℃-ot használnak. A 3C-SiC heteroepitaxiális növekedés 0,01-0,1 nms-1 növekedési sebességgel érhető el [13].

Következtetés és kilátás

A folyamatos technológiai fejlődés és a mechanizmusok mélyreható kutatása révén a 3C-SiC heteroepitaxiális technológia várhatóan fontosabb szerepet fog játszani a félvezetőiparban, és elősegíti a nagy hatékonyságú elektronikai eszközök fejlesztését. Például az új növekedési technikák és stratégiák kutatásának folytatása, mint például a HCl-atmoszféra bevezetése a növekedési ráta növelése érdekében az alacsony hibasűrűség fenntartása mellett, a jövőbeli kutatások iránya; a hibaképződés mechanizmusának mélyreható kutatása, valamint fejlettebb jellemzési technikák, például fotolumineszcencia és katódlumineszcencia analízis kidolgozása a pontosabb hibakezelés elérése és az anyagtulajdonságok optimalizálása érdekében; a jó minőségű vastag fólia gyors növekedése A 3C-SiC a kulcsa a nagyfeszültségű eszközök igényeinek kielégítésének, és további kutatásokra van szükség a növekedési ütem és az anyag egyenletessége közötti egyensúly leküzdéséhez; kombinálva a 3C-SiC heterogén struktúrákban, mint például a SiC/GaN alkalmazásával, feltárja lehetséges alkalmazási lehetőségeit olyan új eszközökben, mint a teljesítményelektronika, az optoelektronikai integráció és a kvantuminformáció-feldolgozás.

Referenciák:

[1] Nishino S, Hazuki Y, Matsunami H, et al. Egykristályos β-SiC filmek kémiai gőzleválasztása porlasztott SiC köztes rétegű szilícium szubsztrátumon [J]. Journal of The Electrochemical Society, 1980, 127(12):2674-2680.

[2] Ye Zhizhen, Wang Yadong, Huang Jingyun és munkatársai: szilícium-alapú szilícium-karbid vékonyrétegek alacsony hőmérsékletű növekedése [J] Journal of Vacuum Science and Technology, 2002, 022(001):58-60. .

[3] An Xia, Zhuang Huizhao, Li Huaixiang és munkatársai Nano-SiC vékonyrétegek előállítása (111) Si hordozón [J] Journal of Shandong Normal University: Natural Science Edition, 2001: 382-384 ..

[4] Seki K, Alexander, Kozawa S et al. A SiC politípus-szelektív növekedése túltelítettségi szabályozással oldatnövekedésben[J]. Journal of Crystal Growth, 2012, 360:176-180.

[5] Chen Yao, Zhao Fuqiang, Zhu Bingxian, He Shuai A szilícium-karbid erőgépek fejlesztésének áttekintése itthon és külföldön [J] Vehicle and Power Technology, 2020: 49-54.

[6] Li X, Wang G. 3C-SiC rétegek CVD növekedése javított morfológiájú 4H-SiC hordozókon[J].Solid State Communications, 2023:371.

[7] Hou Kaiwen a Si-mintás szubsztrátról és annak alkalmazásáról a 3C-SiC növekedésben [D], 2018.

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

[9] Xu Qingfang 3C-SiC vékonyrétegek készítése lézeres kémiai gőzleválasztással [D], 2016.

[10] Foisal A R M , Nguyen T , Dinh T K , et al.3C-SiC/Si Heterostructure: Kiváló platform helyzetérzékeny detektorokhoz a fotovoltaikus effektus alapján[J].ACS Applied Materials & Interfaces, 2019: 409870-40987.

[11] Xin Bin 3C/4H-SiC heteroepitaxiális növekedés a CVD-folyamat alapján: hibajellemzés és evolúció [D].

[12] Dong Lin. A szilícium-karbid nagy területű többlemezes epitaxiális növekedési technológiája [D], 2014.

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