3c sic arenguajalugu

Kui oluline vormränikarbiid, arengulugu3C-SiCpeegeldab pooljuhtmaterjalide teaduse pidevat arengut. 1980ndatel on Nishino jt. Esmalt said 4UM 3C-sici õhukesed kiled räni substraatidel keemilise aurude sadestumise (CVD) abil [1], mis pani aluse 3C-sici õhukese kiletehnoloogia jaoks.

1990ndad olid SIC -uuringute kuldajastu. Cree Research Inc. käivitas vastavalt 6H ja 4H-SIC kiipi vastavalt 1991. ja 1994. aastal, edendadesSIC pooljuhtide seadmed. Sel perioodil tehtud tehnoloogiline areng pani aluse hilisematele uuringutele ja rakendamisele 3C-SIC.

21. sajandi alguseskodumaised ränipõhised SiC õhukesed kiledarenenud ka teatud määral. Ye Zhizhen jt. Valmistatud ränipõhised SIC-kiled CVD poolt 2002. aastal madala temperatuuri tingimustes [2]. 2001. aastal on Xia jt. Valmistatud ränipõhised SIC-i õhukesed kiled toatemperatuuril magnetroni pritsimisel [3].

SI ja SIC (umbes 20%) võre konstandi suure erinevuse tõttu on 3C-sic epitaksiaalse kihi defekti tihedus suhteliselt kõrge, eriti kaksiku defekt, näiteks DPB. Võre ebakõla vähendamiseks kasutavad teadlased (0001) pinnal (0001) pinnal 6H-SIC, 15R või 4H-SIC, et kasvatada 3C-sic epitaksiaalset kihti ja vähendada defekti tihedust. Näiteks 2012. aastal Seki, Kazuaki jt. pakkus välja dünaamilise polümorfse epitaksia kontrollitehnoloogia, mis realiseerib 3C-sic ja 6H-SIC polümorfse selektiivse kasvu 6H-SIC (0001) pinnaseemnel, kontrollides üleküllastumist [4-5]. 2023. aastal kasutasid sellised teadlased nagu Xun Li kasvu ja protsessi optimeerimiseks CVD-meetodit ning said edukalt sujuva 3C-SICepitaksiaalne kihtilma DPB defektideta pinnal 4H-SiC substraadil kasvukiirusel 14 um/h[6].

3C SiC kristallstruktuur ja kasutusvaldkonnad

Paljude SICD polütüüpide hulgas on 3C-SIC ainus kuup-polütüüt, mida tuntakse ka kui β-sic. Selles kristallstruktuuris eksisteerivad SI ja C aatomid võres üks-ühe suhtega ja iga aatom on ümbritsetud nelja heterogeense aatomiga, moodustades tugevate kovalentsete sidemetega tetraedrilise konstruktsiooniüksuse. 3C-SIC struktuurne tunnus on see, et Si-C diatomilised kihid on korduvalt paigutatud ABC-ABC-… järjekorras ja iga ühikurakk sisaldab kolme sellist diatomilist kihti, mida nimetatakse C3 esituseks; 3C-SIC kristallstruktuur on näidatud alloleval joonisel:

Joonis 1 3C-SiC kristallstruktuur

Praegu on räni (Si) toiteseadmetes kõige sagedamini kasutatav pooljuhtmaterjal. Kuid Si jõudluse tõttu on ränipõhised toiteseadmed piiratud. Võrreldes 4H-SiC ja 6H-SiC-ga on 3C-SiC toatemperatuuril kõrgeim teoreetiline elektronide liikuvus (1000 cm·V-1·S-1) ja sellel on rohkem eeliseid MOS-seadmete rakendustes. Samal ajal on 3C-SiC-l ka suurepärased omadused, nagu kõrge läbilöögipinge, hea soojusjuhtivus, kõrge kõvadus, lai ribalaius, kõrge temperatuurikindlus ja kiirguskindlus. Seetõttu on sellel suur potentsiaal elektroonikas, optoelektroonikas, andurites ja rakendustes äärmuslikes tingimustes, edendades sellega seotud tehnoloogiate arendamist ja innovatsiooni ning näidates laialdast kasutuspotentsiaali paljudes valdkondades:

Esiteks: eriti kõrge pinge, kõrgsageduse ja kõrge temperatuuriga keskkonnas, 3C-SIC kõrge jaotuspinge ja kõrge elektronide liikuvus muudavad selle ideaalseks valikuks elektriseadmete, näiteks MOSFET tootmiseks [7]. Teiseks: 3C-SIC rakendamine nanoelektroonikas ja mikroelektromehaanilistes süsteemides (MEMS) on kasu selle ühilduvusest räni tehnoloogiaga, võimaldades toota nanomõõtmelisi struktuure nagu nanoelektroonika ja nanoelektromehaanilised seadmed [8]. Kolmas: laia ribalapi pooljuhtmaterjalina sobib 3c-sicsinised valgusdioodid(LED-id). Selle kasutamine valgustuses, kuvatehnoloogias ja laserites on pälvinud tähelepanu tänu oma suurele valgusefektiivsusele ja hõlpsale dopingule [9]. Neljandaks: samal ajal kasutatakse 3C-SiC-d asenditundlike detektorite, eriti külgsuunalisel fotogalvaanilisel efektil põhinevate laserpunktide asukohatundlike detektorite tootmiseks, mis näitavad kõrget tundlikkust nullkallutatuse tingimustes ja sobivad täpseks positsioneerimiseks [10] .

3. 3c sic heteroepitaksia ettevalmistamise meetod

3C-SiC heteroepitaksia peamised kasvumeetodid hõlmavadkeemiline aurustamine-sadestamine (CVD), sublimatsiooni epitaksia (SE), vedelafaasi epitaksia (LPE), molekulaarkiire epitaksia (MBE), magnetroni pritsimine jne. CVD on 3C-sic epitaxy eelistatud meetod selle juhitavuse ja kohanemisvõime tõttu (näiteks temperatuur, gaasivool, kambri rõhk ja reaktsiooniaeg, mis võib optimeerida epitaksiaalne kiht).

Keemiline aurude ladestumine (CVD): SI ja C-elemente sisaldav ühendgaas lastakse reaktsioonikambrisse, kuumutatakse ja laguneb kõrgel temperatuuril ning seejärel sadestatakse Si-aatomid ja C-aatomid SI substraadile või 6H-SIC, 15R-, 15R- SIC, 4H-SIC substraat [11]. Selle reaktsiooni temperatuur on tavaliselt vahemikus 1300-1500 ℃. Tavaliste SI allikate hulka kuuluvad SiH4, TCS, MTS jne ning C allikad hõlmavad peamiselt C2H4, C3H8 jne, kandegaasina H2. Kasvuprotsess hõlmab peamiselt järgmisi etappe: 1. Gaasifaasi reaktsiooni allikas veetakse peamises gaasivoolu sadestumistsooni. 2. Gaasifaasi reaktsioon toimub piirikihis, et tekitada õhukesi kile eelkäijaid ja kõrvalsaadusi. 3. eelkäija sademed, adsorptsioon ja pragunemine. 4. Adsorbeeritud aatomid rändavad ja rekonstrueerivad substraadi pinnal. 5. Adsorbeeritud aatomid tuuma ja kasvavad substraadi pinnal. 6. jäätmegaasi massiline transport pärast reaktsiooni peamisse gaasi voolutsooni ja see võetakse reaktsioonikambrist välja. Joonis 2 on CVD skemaatiline diagramm [12].

Joonis 2 CVD skemaatiline diagramm

Sublimation Epitaksy (SE) meetod: Joonis 3 on SE meetodi eksperimentaalne struktuuriskeem 3C-SIC valmistamiseks. Peamised sammud on SIC allika lagunemine ja sublimatsioon kõrge temperatuuri tsoonis, sublimatiseerumise transport ning sublimatiseerumise reaktsioon ja kristalliseerumine substraadi pinnal madalamal temperatuuril. Üksikasjad on järgmised: 6H-SIC või 4H-SIC substraat asetatakse tiigli ülaossa jakõrge puhtusastmega SiC pulberkasutatakse sic toorainena ja asetataksegrafiidist tiigel. Tiiglit kuumutatakse raadiosagedusliku induktsiooni abil temperatuurini 1900–2100 ℃ ja substraadi temperatuuri reguleeritakse madalamaks kui SiC allikas, moodustades tiigli sees aksiaalse temperatuurigradiendi, nii et sublimeeritud SiC materjal saab aluspinnal kondenseeruda ja kristalliseeruda. moodustada 3C-SiC heteroepitaksiaalne.

Sublimatsiooni epitaksia eelised on peamiselt kahes aspektis: 1. epitaksia temperatuur on kõrge, mis võib vähendada kristallidefekte; 2. Seda saab söövitada, et saada söövitatud pind aatomitasandil. Kuid kasvuprotsessi ajal ei saa reaktsiooniallikat reguleerida ja räni süsiniku suhet, aega, mitmesuguseid reaktsioonijärjestusi jne ei saa muuta, mille tulemuseks on kasvuprotsessi kontrollitavuse vähenemine.

Joonis 3 SE meetodi skemaatiline diagramm 3C-SiC epitaksia kasvatamiseks

Molekulaarkiire epitaksia (MBE) on täiustatud õhukese kile kasvutehnoloogia, mis sobib 3C-SIC epitaksiaalsete kihtide kasvatamiseks 4H-SIC või 6H-SIC substraatidel. Selle meetodi põhiprintsiip on järgmine: ülikõrge vaakumkeskkonnas kuumutatakse lähtegaasi täpse kontrolli abil kasvava epitaksiaalse kihi elemente, moodustades suunalise aatomtala või molekulaarse tala ja langevad kuumutatud substraadi pinnale Epitaksiaalne kasv. 3C-SIC kasvatamiseks ühised tingimusedepitaksiaalsed kihid4H-SIC või 6H-SIC substraatidel on järgmised: ränirikkates tingimustes erutuvad grafeen ja puhtad süsinikuallikad elektronpüstoliga gaasilistesse ainetesse ja reaktsiooni temperatuurina kasutatakse 1200-1350 ℃. 3c-sic heteroepitaksiaalse kasvu võib saada kasvukiirusega 0,01-0,1 nms-1 [13].

Järeldus ja väljavaade

Tänu pidevale tehnoloogilisele arengule ja põhjalikele mehhanismide uurimisele hakkab 3C-SiC heteroepitaksiaaltehnoloogia mängima pooljuhtide tööstuses olulisemat rolli ja edendama kõrge efektiivsusega elektroonikaseadmete arendamist. Näiteks uute kasvutehnikate ja -strateegiate uurimise jätkamine, nagu HCl atmosfääri kasutuselevõtt, et suurendada kasvukiirust, säilitades samal ajal madala defektide tiheduse, on tulevaste uuringute suund; põhjalikud uuringud defektide tekkemehhanismi kohta ja täiustatud iseloomustustehnikate, näiteks fotoluminestsents- ja katodoluminestsentsanalüüsi väljatöötamine, et saavutada täpsem defektide kontroll ja optimeerida materjali omadusi; kvaliteetse paksu kile 3C-SiC kiire kasv on kõrgepingeseadmete vajaduste rahuldamise võti ning kasvukiiruse ja materjali ühtluse vahelise tasakaalu ületamiseks on vaja täiendavaid uuringuid; koos 3C-SiC kasutamisega heterogeensetes struktuurides, nagu SiC / GaN, uurige selle potentsiaalseid rakendusi uutes seadmetes, nagu jõuelektroonika, optoelektrooniline integratsioon ja kvantteabe töötlemine.

Viited:

[1] Nishino S, Hazuki Y, Matsunami H, et al. Üksikkristalliliste β-sic-kilede keemiline aurude ladestumine räni substraadil pritsitud SIC vahekihiga [J]. Elektrokeemilise Seltsi ajakiri, 1980, 127 (12): 2674-2680.

[2] Ye Zhizhen, Wang Yadong, Huang Jingyun jt ränipõhiste ränikarbiidi õhukeste kilede kasvu uurimine madalal temperatuuril [J] Journal of Vacuum Science and Technology, 2002, 022(001):58-60. .

[3] ANGIA, Zhuang Huizhao, Li Huaixiang, ootamine.

[4] Seki K, Alexander, Kozawa S jt. SIC polütüüt-selektiivne kasv üleküllastumise kontrolli abil lahuse kasvu korral [J]. Journal of Crystal Growth, 2012, 360: 176-180.

[5] Chen Yao, Zhao Fuqiang, Zhu Bingxian, He Shuai Ülevaade ränikarbiidi jõuseadmete arendamisest kodu- ja välismaal [J], 2020: 49–54.

[6] Li X, Wang G .CVD 3C-SIC kihtide kasv 4H-SIC substraatidel koos täiustatud morfoloogiaga [J]. Riigikommunikatsioon, 2023: 371.

[7] Hou Kaiwen.

[8] Lars, Hiller, Thomas jt. Vesiniku efektid 3C-SiC(100) Mesa struktuuride ECR-Söövitamisel[J].Materials Science Forum, 2014.

[9] Xu Qingfang.

[10] Foisal A R M, Nguyen T, Dinh T K, et al.3C-SiC/Si Heterostruktuur: suurepärane platvorm fotogalvaanilisel efektil põhinevate asukohatundlike detektorite jaoks[J].ACS Applied Materials & Interfaces, 2019: 40987.

[11] Xin Bin.

[12] Dong Lin.

[13] Diani M, Simon L, Kubler L jt. 3C-SiC polütüübi kristallide kasv 6H-SiC(0001) substraadil [J]. Journal of Crystal Growth, 2002, 235(1):95-102.