Историјата на развојот на 3C SiC

Како важна форма наСиликон карбид, историјата на развој на3c-siCго рефлектира континуиран напредок на науката за полупроводници на материјали. Во осумдесеттите години на минатиот век, Нишино и сор. Прво, добиени 4ум 3С-сик тенки филмови на силиконски подлоги со хемиско таложење на пареа (CVD) [1], кои ја поставија темелите за технологија со тенок филм од 3C-SIC.

1990-тите беа златното доба на истражувањето на SiC. Cree Research Inc. лансираше чипови 6H-SiC и 4H-SiC во 1991 и 1994 година, соодветно, промовирајќи ја комерцијализацијата наSiC полупроводнички уреди. Технолошкиот напредок во овој период го постави темелот за последователно истражување и примена на 3C-SIC.

Во почетокот на 21 век,домашни тенки фолии на SiC на база на силиконисто така се разви до одреден степен. Је Жижен и сор. подготви силикон-базирани SiC тенки фолии со CVD под услови на ниска температура во 2002 година [2]. Во 2001 година, Ан Ксиа и сор. подготвени тенки фолии на SiC на база на силикон со магнетронско распрскување на собна температура [3].

Сепак, поради големата разлика помеѓу константата на решетката на Si и онаа на SiC (околу 20%), густината на дефектот на епитаксијалниот слој 3C-SiC е релативно висока, особено на двојниот дефект како што е DPB. Со цел да се намали несовпаѓањето на решетката, истражувачите користат 6H-SiC, 15R-SiC или 4H-SiC на површината (0001) како подлога за да растат 3C-SiC епитаксијален слој и да ја намалат густината на дефектот. На пример, во 2012 година, Секи, Казуаки и сор. ја предложи технологијата за контрола на динамичната полиморфна епитаксија, која го реализира полиморфниот селективен раст на 3C-SiC и 6H-SiC на површинското семе 6H-SiC (0001) со контролирање на презаситеноста [4-5]. Во 2023 година, истражувачите како Џун Ли го користеа CVD методот за да го оптимизираат растот и процесот и успешно добија мазен 3C-SiCЕпитаксичен слојбез дефекти на DPB на површината на подлогата 4H-SIC со стапка на раст од 14um/h [6].

Кристална структура и полиња на примена на 3C SiC

Меѓу многу политипи на SICD, 3C-Sic е единствениот кубен политип, познат и како β-SIC. Во оваа кристална структура, атомите Si и C постојат во однос еден-на-еден во решетките, а секој атом е опкружен со четири хетерогени атоми, формирајќи тетраетална структурна единица со силни ковалентни врски. Структурната карактеристика на 3C-SIC е дека дијатомските слоеви Si-C постојано се распоредени по редослед на ABC-ABC-…, а секоја единица ќелија содржи три вакви дијатомски слоеви, кои се нарекуваат C3 застапеност; Кристалната структура на 3C-SIC е прикажана на сликата подолу:

Слика 1 Кристална структура на 3C-SIC

Во моментов, силиконот (Si) е најчесто користениот полупроводнички материјал за уреди за напојување. Сепак, поради перформансите на Si, уредите за напојување базирани на силикон се ограничени. Во споредба со 4H-SiC и 6H-SiC, 3C-SiC има највисока теоретска подвижност на електрони на собна температура (1000 cm·V-1·S-1) и има повеќе предности во апликациите на MOS уредите. Во исто време, 3C-SiC има и одлични својства како што се висок пробивен напон, добра топлинска спроводливост, висока цврстина, широк опсег, отпорност на висока температура и отпорност на зрачење. Затоа, има голем потенцијал во електрониката, оптоелектрониката, сензорите и апликациите под екстремни услови, промовирајќи го развојот и иновациите на сродни технологии и покажувајќи широк апликативен потенцијал во многу области:

Прво: Особено во околината со висок напон, висока фреквенција и висока температура, високиот напон на дефект и високата подвижност на електроните на 3C-SIC го прават идеален избор за производство на уреди за енергија, како што е MOSFET [7]. Второ: примената на 3C-SIC во наноелектроника и микроелектромеханички системи (MEMS) има придобивки од неговата компатибилност со силиконската технологија, овозможувајќи производство на нанокласни структури како што се наноелектроника и наноелектромеханички уреди [8]. Трето: Како широк материјал за полупроводници на опсегот, 3C-SIC е погоден за производство насини диоди што емитуваат светлина(LED диоди). Неговата примена во осветлувањето, технологијата на прикажување и ласерите привлече внимание заради неговата висока светлечка ефикасност и лесно допинг [9]. Четврто: Во исто време, 3C-SIC се користи за производство на детектори чувствителни на позиција, особено детектори чувствителни на положбата на ласерската точка, врз основа на латералниот фотоволтаичен ефект, кои покажуваат висока чувствителност во услови на нула пристрасност и се погодни за прецизно позиционирање [10] .

3. Начин на подготовка на 3C SiC хетероепитакси

Главните методи на раст на 3C-SIC хетероепитаксијата вклучуваатДепонирање на хемиска пареа (CVD), Епитаксија на сублимација (СЕ), Епитаксија на течна фаза (LPE), Молекуларна зрак епитаксија (MBE), плукање на магнетрон, итн. CVD е најпосакуваниот метод за 3C-SIC епитаксија заради неговата контролабилност и прилагодливост (како што се температурата, протокот на гас, притисокот на комората и времето на реакција, што може да го оптимизира квалитетот на Епитаксичен слој).

Хемиско таложење на пареа (CVD): Соединен гас кој содржи Si и C елементи се пренесува во комората за реакција, се загрева и се распаѓа на висока температура, а потоа атомите на Si и C атомите се таложат на подлогата Si, или 6H-SiC, 15R- SiC, 4H-SiC супстрат [11]. Температурата на оваа реакција е обично помеѓу 1300-1500℃. Вообичаените извори на Si вклучуваат SiH4, TCS, MTS итн., а изворите на C главно вклучуваат C2H4, C3H8 итн., со H2 како гас-носител. Процесот на раст главно ги вклучува следните чекори: 1. Изворот на реакција на гасната фаза се транспортира до зоната на таложење во главниот проток на гас. 2. Реакцијата на гасната фаза се јавува во граничниот слој за да се генерираат прекурсори и нуспроизводи на тенок филм. 3. Процесот на таложење, адсорпција и пукање на претходникот. 4. Адсорбираните атоми мигрираат и реконструираат на површината на подлогата. 5. Адсорбираните атоми се јадрени и растат на површината на подлогата. 6. Масовниот транспорт на отпадниот гас по реакцијата во главната зона на проток на гас и се вади од комората за реакција. Слика 2 е шематски дијаграм на CVD [12].

Слика 2 Шематски дијаграм на CVD

Метод на сублимациска епитаксија (SE): Слика 3 е експериментален структурен дијаграм на методот SE за подготовка на 3C-SiC. Главните чекори се разградување и сублимација на изворот на SiC во зоната со висока температура, транспортирање на сублиматите и реакција и кристализација на сублиматите на површината на подлогата на пониска температура. Деталите се следни: 6H-SiC или 4H-SiC супстрат се поставува на врвот на садот, иСик во прав со висока чистотасе користи како сурова материја и се става на дното награфит сад. Распоредот се загрева до 1900-2100℃ со радиофреквентна индукција, а температурата на подлогата е контролирана да биде пониска од изворот на SiC, формирајќи аксијален температурен градиент во внатрешноста на садот, така што сублимираниот SiC материјал може да се кондензира и кристализира на подлогата за да се формира 3C-SiC хетероепитаксија.

Предностите на епитаксијата на сублимација се главно во два аспекта: 1. Температурата на епитаксијата е висока, што може да ги намали дефектите на кристалот; 2. Може да се гравира за да се добие гравирана површина на атомско ниво. Сепак, за време на процесот на раст, изворот на реакција не може да се прилагоди, а односот на силикон-јаглерод, времето, разни реакциски секвенци, итн. Не може да се промени, што резултира во намалување на контролата на процесот на раст.

Слика 3 Шематски дијаграм на SE метод за растење на 3C-SiC епитаксијата

Епитаксијата на молекуларниот зрак (MBE) е напредна технологија за раст на тенок филм, која е погодна за одгледување епитаксични слоеви на 3C-SIC на подлоги од 4H-SIC или 6H-SIC. Основниот принцип на овој метод е: во ултра-висока вакуумска околина, преку прецизна контрола на изворниот гас, елементите на растечкиот епитаксијален слој се загреваат за да формираат насочен атомски зрак или молекуларен зрак и инцидент на загреаната површина на подлогата за Епитаксичен раст. Вообичаени услови за одгледување 3c-sicепитаксични слоевина супстратите 4H-SiC или 6H-SiC се: под услови богати со силициум, графенот и изворите на чист јаглерод се возбудуваат во гасовити материи со електронски пиштол, а 1200-1350℃ се користи како температура на реакцијата. 3C-SiC хетероепитаксијалниот раст може да се добие со стапка на раст од 0,01-0,1 nms-1 [13].

Заклучок и перспектива

Преку континуиран технолошки напредок и длабинско истражување на механизмот, се очекува 3C-SIC хетероепитаксијална технологија да игра поважна улога во индустријата за полупроводници и да го промовира развојот на високо-ефикасни електронски уреди. На пример, продолжувањето да истражувате нови техники и стратегии за раст, како што е воведување на HCL атмосфера за да се зголеми стапката на раст, додека одржувањето на мала густина на дефекти, е насока на идните истражувања; Длабоко истражување за механизмот за формирање на дефекти и развој на понапредни техники на карактеризација, како што се фотолуминисценција и анализа на катодолуминисценција, за да се постигне попрецизна контрола на дефектите и да се оптимизираат материјалните својства; Брзиот раст на висококвалитетниот дебел филм 3C-SIC е клучот за задоволување на потребите на уредите со висок напон и потребни се понатамошни истражувања за да се надмине рамнотежата помеѓу стапката на раст и материјалната униформност; Во комбинација со примена на 3C-SIC во хетерогени структури како што се SIC/GAN, истражете ги неговите потенцијални апликации во нови уреди како што се електроника на електрична енергија, оптоелектронска интеграција и квантна обработка на информации.

Референци:

[1] Нишино С, Хазуки Ј, Матсунами Х, и др. Хемиско таложење на пареа на единечни кристални β-SIC филмови на силиконски подлога со распрснат SIC средно слој [J]. Journal на електрохемиското друштво, 1980, 127 (12): 2674-2680.

[2] Ye Zhizhen, Wang Yadong, Huang Jingyun и сор. .

[3] An Xia, Zhuang Huizhao, Li Huaixiang, et al ..

[4] Секи К, Александар, Козава С, и др. Политип-селективен раст на SIC со контрола на презаситеност во растот на растворот [J]. Journalурнал за раст на кристалот, 2012, 360: 176-180.

[5] Чен Јао, haао Фукианг, uу Бинксијан, тој Шуаи.

[6] Li X, Wang G .CVD раст на 3C-SIC слоеви на подлоги од 4H-SIC со подобрена морфологија [J]. Солидна државна комуникација, 2023: 371.

[7] Истражување на Hou Kaiwen за подлогата со моделот Si и неговата примена во 3C-SiC раст [D].

[8] Ларс, Хилер, Томас и др. Водородни ефекти во ECR-границата на 3C-SIC (100) MESA структури [J] .Материјали Научен форум, 2014 година.

[9] Ксу Кингфанг Подготовка на 3C-SiC тенки фолии со ласерско хемиско таложење на пареа [D].

[10] Foisal A R M, Nguyen T, Dinh T K, et al.3C-SIC/Si хетероструктура: Одлична платформа за детектори чувствителни на позиција заснована на фотоволтаичен ефект [J] .ACS применети материјали и интерфејси, 2019: 40980-40987.

[11] Ксин Бин.

[12] Технологија на епитаксијален раст со повеќе обланди и карактеризација на силициум карбид со голема површина [D].

[13] Дајани М, Симон Л, Кублер Л, и др. Кристален раст на 3C-SIC политип на подлогата 6H-SIC (0001) [J]. Journalурнал за раст на кристалот, 2002, 235 (1): 95-102.