Історія розвитку 3C SiC

Як важлива формакарбід кремнію, історія розвитку3C-SiCвідображає постійний прогрес напівпровідникової матеріалознавства. У 1980 -х роках Нішино та ін. Вперше отримали тонкі плівки 3C 3C-SIC на кремнієвих субстратах шляхом хімічного осадження пари (CVD) [1], який заклав основу для технології тонкої плівки 3C-SIC.

1990-ті роки були золотим віком досліджень SiC. Компанія Cree Research Inc. випустила мікросхеми 6H-SiC і 4H-SiC у 1991 і 1994 роках відповідно, сприяючи комерціалізаціїSIC напівпровідникові пристрої. Технологічний прогрес у цей період заклав основу для подальших досліджень та застосування 3C-SIC.

На початку 21 століття,побутова кремнію на основі SIC тонких фільмівтакож певною мірою розвинулася. Ye Zhizhen та ін. отримано тонкі плівки SiC на основі кремнію методом CVD в умовах низьких температур у 2002 р. [2]. У 2001 році An Xia та ін. отримані тонкі плівки SiC на основі кремнію методом магнетронного розпилення при кімнатній температурі [3].

Однак, через велику різницю між константою решітки СІ та з SIC (близько 20%), щільність дефекту епітаксіального шару 3C-SIC відносно висока, особливо дефект-близнюк, такий як DPB. Для того, щоб зменшити невідповідність решітки, дослідники використовують 6H-SIC, 15R-SIC або 4H-SIC на поверхні (0001) як субстрат для вирощування епітаксіального шару 3C-SIC та зменшення щільності дефекту. Наприклад, у 2012 році Seki, Kazuaki та ін. Запропонована динамічна технологія контролю епітакси, яка реалізує поліморфний селективний ріст 3C-SIC та 6H-SIC на поверхневому насінні 6H-SIC (0001), контролюючи перенасичення [4-5]. У 2023 році такі дослідники, як Xun Li, використовували метод CVD для оптимізації зростання та процесу, і успішно отримали плавний 3C-SICепітаксіальнийбез дефектів DPB на поверхні на підкладці 4H-SiC зі швидкістю росту 14 мкм/год[6].

Кристалічна структура та поля застосування 3C SIC

Серед багатьох політипів SICD 3C-SIC є єдиним кубічним політипом, також відомим як β-SIC. У цій кристалічній структурі атоми Si і C існують у співвідношенні один до одного в решітці, і кожен атом оточений чотирма гетерогенними атомами, утворюючи тетраедральну структурну одиницю з сильними ковалентними зв’язками. Структурна особливість 3C-SIC полягає в тому, що діатомічні шари SI-C неодноразово розташовані в порядку ABC-ABC-…, і кожна одиниця клітини містить три такі діатомічні шари, які називаються представленням С3; Кристалічна структура 3C-SIC показана на малюнку нижче:

Рисунок 1. Кристалічна структура 3C-SiC

В даний час кремній (Si) є найбільш часто використовуваним напівпровідниковим матеріалом для силових пристроїв. Однак через продуктивність кремнію потужність пристроїв на основі кремнію обмежена. Порівняно з 4H-SiC і 6H-SiC, 3C-SiC має найвищу теоретичну рухливість електронів при кімнатній температурі (1000 см·В-1·с-1) і має більше переваг у додатках MOS-пристроїв. У той же час 3C-SiC також має чудові властивості, такі як висока напруга пробою, хороша теплопровідність, висока твердість, широка заборонена зона, стійкість до високих температур і стійкість до радіації. Таким чином, він має великий потенціал в електроніці, оптоелектроніці, датчиках і застосуваннях в екстремальних умовах, сприяючи розвитку та інноваціям пов’язаних технологій і демонструючи широкий потенціал застосування в багатьох областях:

По-перше: особливо у середовищах високої напруги, високої частоти та високої температури висока напруга зриву та висока рухливість електронів 3C-SIC роблять його ідеальним вибором для виробничих енергетичних пристроїв, таких як MOSFET [7]. По-друге: Застосування 3C-SIC в наноелектроніці та мікроеелектроромеханічних системах (MEMS) виграє від його сумісності за допомогою кремнієвої технології, що дозволяє виробляти нанорозмірні структури, такі як наноелектроніка та наноелектромеханічні пристрої [8]. По-третє: як широкий напівпровідниковий матеріал, 3C-SIC підходить для виготовленняСині діоди, що випромінюють світло(Світлодіоди). Її застосування в освітленні, технології дисплея та лазерів привернуло увагу завдяки високій світовій ефективності та легкому допінгу [9]. По-четверте: У той же час 3C-SIC використовується для виготовлення детекторів, чутливих до положення, особливо лазерних детекторів, чутливих до положення на основі бічного фотоелектричного ефекту, які демонструють високу чутливість при нульовому зміщенні і підходять для точного позиціонування [10] .

3. Метод підготовки 3C SIC гетероепітакси

Основні методи вирощування гетероепітаксії 3C-SiC включаютьХімічне осадження пари (CVD), Сублімація епітаксії (SE), рідкофазна епітаксія (LPE)молекулярно-променева епітаксія (MBE), магнетронне розпилення тощо. CVD є кращим методом епітаксії 3C-SiC завдяки його керованості та адаптації (такі як температура, потік газу, тиск у камері та час реакції, які можуть оптимізувати якість епітаксійний шар).

Хімічне осадження з парової фази (CVD): складний газ, що містить елементи Si та C, пропускається в реакційну камеру, нагрівається та розкладається при високій температурі, а потім атоми Si та атоми C осідають на підкладку Si або 6H-SiC, 15R- SiC, підкладка 4H-SiC [11]. Температура цієї реакції зазвичай становить 1300-1500 ℃. Звичайні джерела Si включають SiH4, TCS, MTS тощо, а джерела C в основному включають C2H4, C3H8 тощо, з H2 як газ-носій. Процес вирощування в основному включає наступні етапи: 1. Джерело газофазної реакції транспортується до зони осадження в основному потоці газу. 2. Реакція газової фази відбувається в прикордонному шарі з утворенням тонких плівкових прекурсорів і побічних продуктів. 3. Процес осадження, адсорбції та крекінгу прекурсора. 4. Адсорбовані атоми мігрують і перебудовуються на поверхні підкладки. 5. Адсорбовані атоми зароджуються і ростуть на поверхні підкладки. 6. Масовий транспорт відпрацьованого газу після реакції в основну зону газового потоку і виведення з реакційної камери. На рисунку 2 представлена ​​схематична діаграма ССЗ [12].

Рисунок 2. Схематична діаграма ССЗ

Метод сублімації епітаксії (SE): Малюнок 3-це експериментальна схема структури методу SE для підготовки 3C-SIC. Основними етапами є розкладання та сублімація джерела SIC у зоні високої температури, транспортування субліматів, реакція та кристалізація субліматів на поверхні підкладки при меншій температурі. Деталі такі: 6H-SIC або 4H-SIC підкладка розміщується у верхній частині тигель іПорошок SIC з високою чистотоювикористовується як SiC сировина і поміщається на днографітовий тигель. Тигель нагрівається до 1900-2100 ℃ шляхом індукції радіочастоти, а температура підкладки контролюється як нижча, ніж джерело SIC, утворюючи градієнт осьової температури всередині тигля, так що сублімурований SIC матеріал може конденсувати і кристалізуватися на субстраті формувати 3C-SIC-гетероепітисальний.

Переваги сублімаційної епітаксії в основному полягають у двох аспектах: 1. Висока температура епітаксії, що може зменшити дефекти кристалів; 2. Його можна травити, щоб отримати протравлену поверхню на атомному рівні. Однак під час процесу росту джерело реакції не можна регулювати, а співвідношення кремній-вуглець, час, різні послідовності реакцій тощо неможливо змінити, що призводить до зниження керованості процесу росту.

Малюнок 3 Схематична схема методу SE для вирощування 3C-SIC Epitaxy

Молекулярна епітаксія променя (MBE)-це вдосконалена технологія росту тонкої плівки, яка підходить для вирощування епітаксіальних шарів 3C-SIC на 4H-SIC або 6H-SIC Substrates. Основним принципом цього методу є: У ультра-високому вакуумному середовищі, за допомогою точного контролю джерельного газу, елементи зростаючого епітаксіального шару нагріваються, утворюючи спрямований атомний промінь або молекулярний промінь і падають на нагріваній поверхні підкладки для Епітаксіальне зростання. Загальні умови для вирощування 3C-SICепітаксійні шариНа 4H-SIC або 6H-SIC-субстратах є: У умовах, багатих кремнію, графен та чисті вуглецеві джерела збуджуються в газоподібні речовини з електронним пістолетом, а як температура реакції використовується 1200-1350 ℃. 3C-SIC-гетероепітисальний ріст можна отримати зі швидкістю зростання 0,01-0,1 NMS-1 [13].

Висновок та перспектива

Завдяки безперервному технологічному прогресу та поглибленому механізму, очікується, що гетероепітисальна технологія 3C-SIC відіграватиме важливішу роль у напівпровідниковій галузі та сприятиме розвитку високоефективних електронних пристроїв. Наприклад, продовження вивчення нових методик та стратегій росту, таких як впровадження атмосфери HCL для збільшення темпів зростання, зберігаючи низьку щільність дефектів, - це напрямок майбутніх досліджень; Поглиблені дослідження механізму формування дефектів та розробки більш розвинених методів характеристики, таких як фотолюмінесценція та аналіз катодолюмінесценції, для досягнення більш точного контролю дефектів та оптимізації властивостей матеріалу; Швидке зростання високоякісної товстої плівки 3C-SIC є ключовим фактором для задоволення потреб пристроїв високої напруги, і необхідні подальші дослідження для подолання балансу між темпами росту та рівномірністю матеріалу; У поєднанні з застосуванням 3C-SIC в гетерогенних структурах, таких як SIC/GAN, вивчити його потенційні програми в нових пристроях, таких як електроніка живлення, оптоелектронна інтеграція та квантова обробка інформації.

Список літератури:

[1] Nishino S, Hazuki Y, Matsunami H та ін. Хімічне осадження пари монокристалічних β-SIC плівок на кремнієвому субстраті з розпиленим проміжним шаром SIC [J]. Журнал електрохімічного товариства, 1980, 127 (12): 2674-2680.

[2] Ye Zhizhen, Wang Yadong, Huang Jingyun та ін.

[3] An Xia, Zhuang Huizhao, Li Huaixiang, et al. Отримання тонких плівок нано-SiC методом магнетронного напилення на підкладку (111) Si [J]. Journal of Shandong Normal University, 2001: 382-384 ..

[4] Seki K, Alexander, Kozawa S та ін. Політип-селективне зростання Сіка шляхом контролю над перенасиченням при зростанні розчину [j]. Журнал росту кристалів, 2012, 360: 176-180.

[5] Чен Яо, Чжао Фукіанг, Чжу Бінгсян, він Шуай.

[6] Li X, Wang G. CVD-зростання шарів 3C-SiC на підкладках 4H-SiC із покращеною морфологією [J].Solid State Communications, 2023:371.

[7] Hou Kaiwen Дослідження кремнієвої підкладки та її застосування у вирощуванні 3C-SiC [D]. Сіаньський технологічний університет, 2018.

[8] Ларс, Гіллер, Томас та ін. Ефекти водню в ECR-Etching 3C-SiC(100) мезоструктур [J]. Форум матеріалознавства, 2014.

[9] Xu Qingfang Отримання тонких плівок 3C-SiC методом лазерного хімічного осадження [D] Уханьський технологічний університет, 2016.

[10] Foisal A R M, Nguyen T, Dinh T K, et al.3C-SIC/SI Гетероструктура: відмінна платформа для детекторів, чутливих до позиції, заснована на фотоефекті [j] .ACS-прикладних матеріалів та інтерфейсів, 2019: 40980-40987.

[11] Сінь Бін.

[12] Dong Lin.

[13] Діані М, Саймон Л, Кублер Л та ін. Зростання кристалів 3C-SIC політипу на субстраті 6H-SIC (0001) [j]. Журнал росту кристалів, 2002, 235 (1): 95-102.