3C SiC:n kehityshistoria

Tärkeänä muotonapiikarbidi, kehityshistoria3C-SiCheijastaa puolijohdetieteen jatkuvaa kehitystä. 1980 -luvulla Nishino et ai. Ensinnäkin saatiin 4um 3C-SIC-ohutkalvoja piisubstraateilla kemiallisella höyryn laskeutumisella (CVD) [1], joka loi perustan 3C-SIC-ohutkalvoteknologialle.

1990-luku oli piikarbiditutkimuksen kulta-aikaa. Cree Research Inc. toi markkinoille 6H-SiC-sirut vuonna 1991 ja 4H-SiC-sirut vuonna 1994 edistäen niiden kaupallistamista.SiC-puolijohdelaitteet. Teknologinen kehitys tänä aikana loi perustan myöhemmälle 3C-SiC:n tutkimukselle ja sovellukselle.

2000 -luvun alkupuolella,kotimaiset piipohjaiset piipohjaiset ohutkalvotkehitetään myös tietyssä määrin. Ye Zhizhen et ai. Valmistettu piidopohjaiset sic-ohutkalvot CVD: llä matalassa lämpötilassa vuonna 2002 [2]. Vuonna 2001 Xia et ai. Valmistettu piitapohjaiset sic-ohutkalvot magnetronisputterilla huoneenlämpötilassa [3].

SI: n ja sic: n hilavakion ja sic: n (noin 20%) välisen suuren eron vuoksi 3C-SIC-epitaksiaalikerroksen vikatiheys on kuitenkin suhteellisen korkea, etenkin kaksoisvaurio, kuten DPB. Hilan epäsuhta vähentämiseksi tutkijat käyttävät 6h-sic-, 15R-sic- tai 4H-sic: tä (0001) pinnalla substraattina kasvattaakseen 3C-SiC-epitaksiaalikerroksia ja vähentää vikatiheyttä. Esimerkiksi vuonna 2012 Seki, Kazuaki et ai. ehdotti dynaamista polymorfista epitaksinohjaustekniikkaa, joka toteuttaa 3C-SiC: n ja 6H-sic: n polymorfisen selektiivisen kasvun pinta-siemenessä 6H-SIC: llä (0001) hallitsemalla ylikyllästymistä [4-5]. Vuonna 2023 tutkijat, kuten Xun Liepitaksiaalinen kerrosilman DPB-vikoja pinnalla 4H-SIC-substraatilla kasvunopeudella 14um/h [6].

3C sic: n kiderakenne ja sovelluskentät

Monien SICD-polytyyppien joukosta 3C-SIC on ainoa kuutiometriä, joka tunnetaan myös nimellä β-sic. Tässä kiderakenteessa SI- ja C-atomeja esiintyy hila-suhteessa, ja kutakin atomia ympäröi neljä heterogeenistä atomia, jotka muodostavat tetraedrisen rakenneyksikön, jolla on vahvat kovalenttiset sidokset. 3C-SIC: n rakenteellinen piirre on, että Si-C-diatomiset kerrokset on toistuvasti järjestetty ABC-ABC-…: n järjestyksessä, ja jokainen yksikkösolu sisältää kolme tällaista diatomiskerrosta, jota kutsutaan C3-esitykseksi; 3C-sic: n kiderakenne on esitetty alla olevassa kuvassa:

Kuva 1 3C-SiC:n kiderakenne

Tällä hetkellä pii (Si) on yleisimmin käytetty puolijohdemateriaali teholaitteissa. Si:n suorituskyvyn vuoksi piipohjaiset teholaitteet ovat kuitenkin rajallisia. Verrattuna 4H-SiC:iin ja 6H-SiC:iin, 3C-SiC:llä on korkein huonelämpötilan teoreettinen elektronien liikkuvuus (1000 cm·V-1·S-1), ja sillä on enemmän etuja MOS-laitesovelluksissa. Samaan aikaan 3C-SiC:llä on myös erinomaisia ​​ominaisuuksia, kuten korkea läpilyöntijännite, hyvä lämmönjohtavuus, korkea kovuus, laaja bandgap, korkea lämpötilan kestävyys ja säteilynkestävyys. Siksi sillä on suuri potentiaali elektroniikassa, optoelektroniikassa, antureissa ja sovelluksissa äärimmäisissä olosuhteissa, mikä edistää niihin liittyvien teknologioiden kehitystä ja innovointia ja osoittaa laajaa sovelluspotentiaalia monilla aloilla:

Ensimmäinen: Erityisesti korkeajännite-, suurtaajuus- ja korkean lämpötilan ympäristöissä 3C-SiC:n korkea läpilyöntijännite ja suuri elektronien liikkuvuus tekevät siitä ihanteellisen valinnan teholaitteiden, kuten MOSFETin, valmistukseen [7]. Toiseksi: 3C-SiC:n käyttö nanoelektroniikassa ja mikroelektromekaanisissa järjestelmissä (MEMS) hyötyy sen yhteensopivuudesta piiteknologian kanssa, mikä mahdollistaa nanomittakaavan rakenteiden, kuten nanoelektroniikan ja nanoelektromekaanisten laitteiden valmistuksen [8]. Kolmanneksi: 3C-SiC soveltuu laajakaistaisena puolijohdemateriaalinasininen valoa säteilevät diodit(LEDit). Sen käyttö valaistuksessa, näyttötekniikassa ja lasereissa on herättänyt huomiota sen korkean valotehokkuuden ja helpon dopingin ansiosta [9]. Neljänneksi: Samaan aikaan 3C-SiC:llä valmistetaan paikkaherkkiä ilmaisimia, erityisesti lateraaliseen aurinkosähkövaikutukseen perustuvia laserpisteen sijaintiherkkiä ilmaisimia, jotka osoittavat suurta herkkyyttä nollabias-olosuhteissa ja sopivat tarkkaan paikannukseen [10] .

3. 3C sic heteroepitaxy

3C-SIC: n heteroepitaksian tärkeimmät kasvumenetelmät sisältävätkemiallinen höyrypinnoitus (CVD), sublimaatioepitaksi (SE), nestefaasiepitaksi (LPE), molekyylisuihkuepitaksia (MBE), magnetronisputterointia jne. CVD on suositeltava menetelmä 3C-SiC-epitaksialle sen hallittavuuden ja mukautuvuuden vuoksi (kuten lämpötila, kaasuvirtaus, kammiopaine ja reaktioaika, mikä voi optimoida laitteen laadun). epitaksiaalinen kerros).

Kemiallinen höyrypinnoitus (CVD): Si- ja C-elementtejä sisältävä yhdistekaasu johdetaan reaktiokammioon, kuumennetaan ja hajotetaan korkeassa lämpötilassa, minkä jälkeen Si-atomit ja C-atomit saostetaan Si-substraatille tai 6H-SiC, 15R- SiC, 4H-SiC substraatti [11]. Tämän reaktion lämpötila on tavallisesti välillä 1300-1500 ℃. Yleisiä Si-lähteitä ovat SiH4, TCS, MTS jne., ja C-lähteitä ovat pääasiassa C2H4, C3H8 jne., joissa H2 on kantokaasu. Kasvuprosessi sisältää pääasiassa seuraavat vaiheet: 1. Kaasufaasireaktiolähde kuljetetaan pääkaasuvirrassa laskeumavyöhykkeelle. 2. Kaasufaasireaktio tapahtuu rajakerroksessa muodostaen ohutkalvoprekursoreita ja sivutuotteita. 3. Prekursorin saostus-, adsorptio- ja krakkausprosessi. 4. Adsorboituneet atomit kulkeutuvat ja rekonstruoituvat alustan pinnalla. 5. Adsorboituneet atomit ydintyvät ja kasvavat substraatin pinnalla. 6. Jätekaasun massakuljetus reaktion jälkeen pääkaasun virtausvyöhykkeelle ja otetaan ulos reaktiokammiosta. Kuva 2 on kaavio CVD:stä [12].

Kuva 2 CVD:n kaavio

Sublimaatioepitaksimenetelmä (SE): Kuva 3 on kokeellinen rakennekaavio SE-menetelmästä 3C-SiC:n valmistamiseksi. Päävaiheet ovat piikarbidin lähteen hajoaminen ja sublimaatio korkean lämpötilan alueella, sublimaattien kuljetus sekä sublimaattien reaktio ja kiteytyminen substraatin pinnalla alemmassa lämpötilassa. Yksityiskohdat ovat seuraavat: 6H-SiC tai 4H-SiC substraatti asetetaan upokkaan päälle jaerittäin puhdasta piikarbidijauhettakäytetään sic -raaka -aineena ja sijoitetaangrafiitti upokas. Upokas lämmitetään vuoteen 1900–2100 ℃ radiotaajuuden induktiolla, ja substraatin lämpötilaa säädetään alhaisemmaksi kuin sic-lähde, joka muodostaa aksiaalilämpötilagradientin upokkaan sisällä, niin että sublimoitu sic-materiaali voi tiivistää ja kiteyttää substraatissa muodostaa 3c-SiC-heteroepitaksiaal.

Sublimaatioepitaksin edut ovat pääasiassa kahdessa näkökulmassa: 1. Epitaksin lämpötila on korkea, mikä voi vähentää kidehuoneita; 2. Se voidaan etsia syövytyn pinnan saamiseksi atomitasolla. Kasvuprosessin aikana reaktiolähdettä ei kuitenkaan voida säätää, eikä piin hiili-suhdetta, aikaa, erilaisia ​​reaktiosekvenssejä jne. Ei voida muuttaa, mikä johtaa kasvuprosessin hallittavuuden vähentymiseen.

Kuva 3 Kaaviokaavio SE-menetelmästä 3C-SiC-epitaksian kasvattamiseksi

Molecular beam epitaxy (MBE) on edistynyt ohutkalvokasvatusteknologia, joka soveltuu 3C-SiC-epitaksiaalisten kerrosten kasvattamiseen 4H-SiC- tai 6H-SiC-substraateille. Tämän menetelmän perusperiaate on: ultrakorkeassa tyhjiöympäristössä lähdekaasun tarkan ohjauksen avulla kasvavan epitaksiaalikerroksen elementit kuumennetaan muodostamaan suunnattu atomisäde tai molekyylisäde, joka osuu lämmitetyn substraatin pinnalle. epitaksiaalinen kasvu. Yleiset olosuhteet 3C-SiC:n viljelylleepitaksiaalikerrokset4H-SiC- tai 6H-SiC-substraatit ovat: piipitoisissa olosuhteissa grafeeni ja puhtaat hiilen lähteet viritetään kaasumaisiksi aineiksi elektronitykillä ja reaktiolämpötilana käytetään 1200-1350 ℃. 3C-SiC heteroepitaksiaalinen kasvu voidaan saada kasvunopeudella 0,01-0,1 nms-1 [13].

Johtopäätös

Jatkuvan teknisen kehityksen ja perusteellisen mekanismin tutkimuksen avulla 3C-SIC: n heteroepitaksiaalitekniikan odotetaan olevan tärkeämpi rooli puolijohdeteollisuudessa ja edistävän korkean tehokkuuden elektronisten laitteiden kehitystä. Esimerkiksi uusien kasvutekniikoiden ja strategioiden tutkimista, kuten HCL -ilmakehän käyttöönottamista kasvunopeuden lisäämiseksi samalla, että alhainen vikatiheys on tulevaisuuden tutkimuksen suunta; Perusteellinen tutkimus vikojen muodostumismekanismista ja edistyneempien karakterisointitekniikoiden, kuten fotoluminesenssin ja katodoluminesenssianalyysin, kehittymisestä tarkemman vianhallinnan saavuttamiseksi ja materiaalien ominaisuuksien optimoimiseksi; Korkealaatuisen paksun kalvon 3C-SIC: n nopea kasvu on avain korkeajännitelaitteiden tarpeiden tyydyttämiseen, ja tarvitaan lisätutkimuksia kasvunopeuden ja materiaalien yhtenäisyyden välisen tasapainon voittamiseksi; Yhdistettynä 3C-SIC: n soveltamiseen heterogeenisissä rakenteissa, kuten sic/gan, tutkitaan sen potentiaalisia sovelluksia uusissa laitteissa, kuten tehoelektroniikassa, optoelektronisessa integroinnissa ja kvanttitietojenkäsittelyssä.

Viitteet:

[1] Nishino S, Hazuki Y, Matsunami H, et ai. Yksikiteisten β-SiC-kalvojen kemiallinen höyrysaostus piisubstraatille, jossa on ruiskutettua piikarbidivälikerrosta [J]. Journal of The Electrochemical Society, 1980, 127(12):2674-2680.

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

[3] Ahdian, Zhuang Huizhao, Li Huaixiang, odottaa (111) SI-substraatti nano-kuvion valmistelemiseksi magneettisen sputterointimenetelmässä [J].

[4] Seki K, Alexander, Kozawa S, et ai. SIC: n polytyyppiselektiivinen kasvu ylikyllästymisohjauksella liuoksen kasvussa [J]. Journal of Crystal Growth, 2012, 360: 176-180.

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

[6] Li X, Wang G. CVD 3C-SIC -kerrosten kasvu 4H-SIC-substraateilla, joilla on parantunut morfologia [J] .Solid State Communications, 2023: 371.

[7] Hou Kaiwen.

[8] Lars, Hiller, Thomas, et ai. Vetyvaikutukset 3C-SIC: n (100) MESA-rakenteiden ECR-tartunnassa [J] .materiaalien tiedefoorumi, 2014.

[9] Xu Qingfang.

[10] Foisal A R M, Nguyen T, Dinh T K, et ai.3c-sic/si heterostruktuuri: erinomainen alusta sijaintiherkälle ilmaisimille, jotka perustuvat aurinkosähkövaikutukseen [J] .ACS Applied Materials & Interfoces, 2019: 40980-40987.

[11] Xin Bin 3C/4H-SiC heteroepitaksiaalinen kasvu perustuu CVD-prosessiin: vikojen karakterisointi ja evoluutio [D].

[12] Dong Lin. Suuren alueen monikiekkojen epitaksiaalinen kasvuteknologia ja piikarbidin fyysisten ominaisuuksien karakterisointi [D] Kiinan tiedeakatemian yliopisto, 2014.

[13] Diani M, Simon L, Kubler L, et ai. 3C-SIC-polytyypin kidekasvu 6H-SIC (0001) substraatilla [J]. Journal of Crystal Growth, 2002, 235 (1): 95-102.