3C SiC-nin İnkişaf Tarixi

Vacib bir forma kimisilisium karbid, inkişaf tarixi3C-SiCyarımkeçirici materialşünaslığın davamlı tərəqqisini əks etdirir. 1980-ci illərdə Nishino et al. əvvəlcə kimyəvi buxar çökdürmə (CVD) yolu ilə silisium substratlar üzərində 4um 3C-SiC nazik filmlər əldə etdi [1] ki, bu da 3C-SiC nazik film texnologiyasının əsasını qoydu.

1990-cı illər SiC tədqiqatının qızıl dövrü idi. Cree Research Inc. 1991 və 1994-cü illərdə müvafiq olaraq 6H-SiC və 4H-SiC çiplərini işə salaraq, kommersiyalaşdırılmasını təşviq etdi.SiC yarımkeçirici qurğular. Bu dövrdəki texnoloji tərəqqi 3C-SiC-nin sonrakı tədqiqi və tətbiqi üçün əsas yaratdı.

21-ci əsrin əvvəllərindəyerli silikon əsaslı SiC nazik filmlərdə müəyyən dərəcədə inkişaf etmişdir. Ye Zhizhen və b. 2002-ci ildə aşağı temperatur şəraitində CVD ilə silikon əsaslı SiC nazik filmlər hazırlamışdır [2]. 2001-ci ildə An Xia et al. otaq temperaturunda maqnetron püskürtmə yolu ilə silikon əsaslı SiC nazik filmləri hazırlamışdır [3].

Bununla belə, Si-nin qəfəs sabiti ilə SiC-nin (təxminən 20%) böyük fərqinə görə, 3C-SiC epitaksial təbəqənin qüsur sıxlığı, xüsusən də DPB kimi əkiz qüsur nisbətən yüksəkdir. Şəbəkə uyğunsuzluğunu azaltmaq üçün tədqiqatçılar (0001) səthində 6H-SiC, 15R-SiC və ya 4H-SiC-dən 3C-SiC epitaksial təbəqəsini böyütmək və qüsur sıxlığını azaltmaq üçün substrat kimi istifadə edirlər. Məsələn, 2012-ci ildə Seki, Kazuaki et al. superdoymaya nəzarət etməklə 6H-SiC (0001) səth toxumunda 3C-SiC və 6H-SiC-nin polimorf seçmə artımını həyata keçirən dinamik polimorfik epitaksiyaya nəzarət texnologiyasını təklif etmişdir [4-5]. 2023-cü ildə Xun Li kimi tədqiqatçılar böyümə və prosesi optimallaşdırmaq üçün CVD metodundan istifadə etdilər və uğurla hamar 3C-SiC əldə etdilər.epitaksial təbəqə14um/saat artım sürətində 4H-SiC substratda səthdə DPB qüsurları olmadan.

3C SiC-nin Kristal Strukturu və Tətbiq Sahələri

Bir çox SiCD politipləri arasında 3C-SiC β-SiC kimi tanınan yeganə kubik politipdir. Bu kristal quruluşda Si və C atomları qəfəsdə birə-bir nisbətdə mövcuddur və hər bir atom dörd heterojen atomla əhatə olunub, güclü kovalent bağlara malik tetraedral struktur vahidi əmələ gətirir. 3C-SiC-nin struktur xüsusiyyəti ondan ibarətdir ki, Si-C diatomik təbəqələri dəfələrlə ABC-ABC-… qaydasında düzülür və hər vahid hüceyrədə C3 təmsili adlanan üç belə diatomik təbəqə var; 3C-SiC-nin kristal quruluşu aşağıdakı şəkildə göstərilmişdir:

Şəkil 1 3C-SiC-nin kristal quruluşu

Hal-hazırda, silikon (Si) enerji cihazları üçün ən çox istifadə edilən yarımkeçirici materialdır. Bununla belə, Si-nin performansına görə, silikon əsaslı güc cihazları məhduddur. 4H-SiC və 6H-SiC ilə müqayisədə 3C-SiC otaq temperaturunda ən yüksək nəzəri elektron hərəkətliliyinə (1000 sm·V-1·S-1) malikdir və MOS cihaz tətbiqlərində daha çox üstünlüklərə malikdir. Eyni zamanda, 3C-SiC yüksək qırılma gərginliyi, yaxşı istilik keçiriciliyi, yüksək sərtlik, geniş bant boşluğu, yüksək temperatur müqaviməti və radiasiya müqaviməti kimi əla xüsusiyyətlərə malikdir. Buna görə də, o, ekstremal şəraitdə elektronika, optoelektronika, sensorlar və tətbiqlərdə böyük potensiala malikdir, əlaqəli texnologiyaların inkişafı və innovasiyasını təşviq edir və bir çox sahələrdə geniş tətbiq potensialını göstərir:

Birincisi: Xüsusilə yüksək gərginlikli, yüksək tezlikli və yüksək temperaturlu mühitlərdə 3C-SiC-nin yüksək parçalanma gərginliyi və yüksək elektron hərəkətliliyi onu MOSFET kimi güc cihazlarının istehsalı üçün ideal seçim edir [7]. İkincisi: 3C-SiC-nin nanoelektronika və mikroelektromexaniki sistemlərdə (MEMS) tətbiqi onun silikon texnologiyası ilə uyğunluğundan faydalanaraq nanoelektronika və nanoelektromexaniki cihazlar kimi nanoölçülü strukturların istehsalına imkan verir [8]. Üçüncü: Geniş diapazonlu yarımkeçirici material kimi, 3C-SiC istehsalı üçün uyğundur.mavi işıq yayan diodlar(LED-lər). Onun işıqlandırma, displey texnologiyası və lazerlərdə tətbiqi yüksək işıq səmərəliliyi və asan dopinq qabiliyyəti ilə diqqəti cəlb etmişdir [9]. Dördüncüsü: Eyni zamanda, 3C-SiC mövqeyə həssas detektorların, xüsusən sıfır meyl şəraitində yüksək həssaslıq göstərən və dəqiq yerləşdirmə üçün uyğun olan yanal fotovoltaik effektə əsaslanan lazer nöqtəsi mövqeyinə həssas detektorların istehsalı üçün istifadə olunur [10] .

3. 3C SiC heteroepitaksinin hazırlanma üsulu

3C-SiC heteroepitaksinin əsas böyümə üsullarına daxildirkimyəvi buxar çökmə (CVD), sublimasiya epitaksisi (SE), maye faza epitaksiyası (LPE), molekulyar şüa epitaksiyası (MBE), maqnetron püskürtmə və s. CVD idarə oluna bilən və uyğunlaşa bilən (temperatur, qaz axını, kameranın təzyiqi və reaksiya müddəti kimi) 3C-SiC epitaksisi üçün üstünlük verilən üsuldur. epitaksial təbəqə).

Kimyəvi buxar çökməsi (CVD): tərkibində Si və C elementləri olan mürəkkəb qaz reaksiya kamerasına verilir, qızdırılır və yüksək temperaturda parçalanır, sonra Si atomları və C atomları Si substratına və ya 6H-SiC, 15R- üzərinə çökdürülür. SiC, 4H-SiC substratı [11]. Bu reaksiyanın temperaturu adətən 1300-1500 ℃ arasında olur. Ümumi Si mənbələrinə SiH4, TCS, MTS və s., C mənbələrinə isə əsasən C2H4, C3H8 və s. daxildir, H2 daşıyıcı qaz kimi. Artım prosesi əsasən aşağıdakı mərhələləri əhatə edir: 1. Qaz fazasının reaksiya mənbəyi əsas qaz axınında çökmə zonasına daşınır. 2. Sərhəd qatında nazik təbəqə prekursorları və əlavə məhsullar yaratmaq üçün qaz faza reaksiyası baş verir. 3. Prekursorun çökməsi, adsorbsiya və krekinq prosesi. 4. Adsorbsiya edilmiş atomlar miqrasiya edir və substratın səthində yenidən qurulur. 5. Adsorbsiya olunmuş atomlar nüvələşir və substratın səthində böyüyür. 6. Tullantı qazının reaksiyadan sonra əsas qaz axını zonasına kütləvi daşınması və reaksiya kamerasından çıxarılır. Şəkil 2 CVD-nin sxematik diaqramıdır [12].

Şəkil 2 CVD-nin sxematik diaqramı

Sublimasiya epitaksisi (SE) üsulu: Şəkil 3 3C-SiC hazırlamaq üçün SE metodunun eksperimental struktur diaqramıdır. Əsas addımlar yüksək temperatur zonasında SiC mənbəyinin parçalanması və sublimasiyası, sublimatların daşınması və sublimatın substrat səthində daha aşağı temperaturda reaksiyası və kristallaşmasıdır. Təfərrüatlar aşağıdakılardır: 6H-SiC və ya 4H-SiC substratı tigenin üstünə qoyulur vəyüksək təmizlik SiC tozuSiC xammalı kimi istifadə edilir və dibinə yerləşdirilirqrafit pota. Tita radio tezliyi induksiyası ilə 1900-2100 ℃-ə qədər qızdırılır və substratın temperaturu SiC mənbəyindən aşağı olması üçün idarə olunur, tige içərisində eksenel temperatur gradienti əmələ gətirir ki, sublimasiya edilmiş SiC materialı substratda kondensasiya oluna və kristallaşa bilsin. 3C-SiC heteroepitaksial əmələ gətirir.

Sublimasiya epitaksiyasının üstünlükləri əsasən iki aspektdən ibarətdir: 1. Epitaksiyanın temperaturu yüksəkdir, bu da kristal qüsurlarını azalda bilər; 2. Atom səviyyəsində həkk olunmuş səth əldə etmək üçün oyalamaq olar. Lakin böyümə prosesi zamanı reaksiya mənbəyini tənzimləmək mümkün deyil, silikon-karbon nisbəti, vaxt, müxtəlif reaksiya ardıcıllığı və s. dəyişdirilə bilməz, nəticədə böyümə prosesinin idarəolunma qabiliyyəti azalır.

Şəkil 3 3C-SiC epitaksiyasının artırılması üçün SE metodunun sxematik diaqramı

Molekulyar şüa epitaksiyası (MBE) 4H-SiC və ya 6H-SiC substratlarında 3C-SiC epitaksial təbəqələrin böyüməsi üçün uyğun olan qabaqcıl nazik təbəqə böyüməsi texnologiyasıdır. Bu metodun əsas prinsipi belədir: ultra yüksək vakuum mühitində mənbə qazına dəqiq nəzarət vasitəsilə böyüyən epitaksial təbəqənin elementləri istiqamətli atom şüası və ya molekulyar şüa əmələ gətirmək üçün qızdırılır və qızdırılan substratın səthinə düşür. epitaksial böyümə. 3C-SiC böyüməsi üçün ümumi şərtlərepitaksial təbəqələr4H-SiC və ya 6H-SiC substratlarında: silisiumla zəngin şəraitdə qrafen və təmiz karbon mənbələri elektron silahla qaz halına salınır və reaksiya temperaturu kimi 1200-1350 ℃ istifadə olunur. 3C-SiC heteroepitaksial artım 0,01-0,1 nms-1 [13] artım sürətində əldə edilə bilər.

Nəticə və Perspektiv

Davamlı texnoloji tərəqqi və dərin mexanizm araşdırması sayəsində 3C-SiC heteroepitaksial texnologiyasının yarımkeçirici sənayedə daha mühüm rol oynaması və yüksək səmərəli elektron cihazların inkişafını təşviq etməsi gözlənilir. Məsələn, aşağı qüsur sıxlığını qoruyarkən böyümə sürətini artırmaq üçün HCl atmosferinin tətbiqi kimi yeni böyümə üsulları və strategiyalarının tədqiqini davam etdirmək gələcək tədqiqatların istiqamətidir; qüsurların əmələ gəlməsi mexanizmi üzrə dərin tədqiqatlar və qüsurların daha dəqiq idarə edilməsinə nail olmaq və material xassələrini optimallaşdırmaq üçün fotolüminessensiya və katodolüminesans analizi kimi daha təkmil xarakterləşdirmə üsullarının işlənib hazırlanması; yüksək keyfiyyətli qalın filmin sürətli böyüməsi 3C-SiC yüksək gərginlikli cihazların ehtiyaclarını ödəmək üçün açardır və böyümə sürəti ilə materialın vahidliyi arasındakı tarazlığı aradan qaldırmaq üçün əlavə tədqiqatlar tələb olunur; 3C-SiC-nin SiC/GaN kimi heterojen strukturlarda tətbiqi ilə birlikdə onun enerji elektronikası, optoelektronik inteqrasiya və kvant məlumat emalı kimi yeni cihazlarda potensial tətbiqlərini araşdırın.

İstinadlar:

[1] Nishino S , Hazuki Y , Matsunami H , et al. Püskürtülmüş SiC Aralıq Layeri ilə Silikon Substratda Tək Kristal β‐SiC Filmlərinin Kimyəvi Buxar Depoziti [J]. Elektrokimya Cəmiyyətinin jurnalı, 1980, 127(12):2674-2680.

[2] Ye Zhizhen, Wang Yadong, Huang Jingyun, et al silisium əsaslı silisium karbid nazik filmlərin aşağı temperaturda böyüməsi üzrə tədqiqat [J], Vacuum Science and Technology, 2002, 022(001):58-60. .

[3] An Xia, Zhuang Huizhao, Li Huaixiang, və başqaları (111) Si substratı üzərində nano-SiC nazik filmlərin hazırlanması: Şandong Normal Universitetinin jurnalı: Təbiət Elmi Nəşri, 2001: 382-384. ..

[4] Seki K, Alexander, Kozawa S, et al. Məhlul artımında həddindən artıq doyma nəzarəti ilə SiC-nin politip-selektiv artımı[J]. Crystal Growth jurnalı, 2012, 360:176-180.

[5] Chen Yao, Zhao Fuqiang, Zhu Bingxian, He Shuai, evdə və xaricdə silisium karbid güc cihazlarının inkişafının icmalı [J], 2020: 49-54.

[6] Li X , Wang G. Təkmilləşdirilmiş morfologiya ilə 4H-SiC substratlarında 3C-SiC təbəqələrinin CVD artımı [J]. Solid State Communications, 2023:371.

[7] Hou Kaiwen Si naxışlı substrat və onun 3C-SiC böyüməsində tətbiqi [D], 2018.

[8]Lars, Hiller, Tomas və b. 3C-SiC(100) Mesa Strukturlarının ECR-Etchingində Hidrogen Effektləri[J].Material Elmləri Forumu, 2014.

[9] Xu Qingfang, 3C-SiC nazik filmlərin lazer kimyəvi buxarının çökdürülməsi ilə hazırlanması [D], Wuhan Texnologiya Universiteti, 2016.

[10] Foisal A R M , Nguyen T , Dinh T K , və digərləri.3C-SiC/Si Heterostruktur: Fotovoltaik Təsir [J] əsasında Mövqe Həssas Detektorlar üçün Mükəmməl Platforma.ACS Tətbiq olunan Materiallar və İnterfeyslər, 2019-cu il: 2090-40.

[11] Xin Bin CVD prosesinə əsaslanan 3C/4H-SiC heteroepitaksial böyümə: qüsurların təsviri və təkamülü [D].

[12] Dong Lin, Çin Elmlər Akademiyasının geniş ərazili çoxlu vafli epitaksial böyümə texnologiyası və silisium karbidinin fiziki xüsusiyyətlərinin təsviri.

[13] Diani M , Simon L , Kubler L , et al. 6H-SiC(0001) substrat[J] üzərində 3C-SiC politipinin kristal artımı. Crystal Growth jurnalı, 2002, 235(1):95-102.