Historia rozwoju 3C SiC

Jako ważna formawęglik krzemu, historia rozwoju3C-SiCodzwierciedla ciągły postęp nauki o materiałach półprzewodnikowych. W latach 80. Nishino i in. po raz pierwszy uzyskano cienkie warstwy 3C-SiC o grubości 4 μm na podłożach krzemowych metodą chemicznego osadzania z fazy gazowej (CVD) [1], co położyło podwaliny pod technologię cienkowarstwowych 3C-SiC.

Lata 90. XX wieku to złoty wiek badań nad SiC. Firma Cree Research Inc. wprowadziła na rynek chipy 6H-SiC i 4H-SiC odpowiednio w 1991 i 1994 r., promując komercjalizacjęUrządzenia półprzewodnikowe SiC. Postęp technologiczny w tym okresie położył podwaliny pod późniejsze badania i zastosowanie 3C-SiC.

Na początku XXI wiekudomowe cienkie warstwy SiC na bazie krzemurównież w pewnym stopniu rozwinięte. Ye Zhizhen i in. przygotowali cienkie warstwy SiC na bazie krzemu metodą CVD w warunkach niskiej temperatury w 2002 roku [2]. W 2001 roku An Xia i in. przygotowano cienkie warstwy SiC na bazie krzemu metodą rozpylania magnetronowego w temperaturze pokojowej [3].

Jednakże, ze względu na dużą różnicę między stałą sieci Si i SiC (około 20%), gęstość defektów warstwy epitaksjalnej 3C-SiC jest stosunkowo wysoka, zwłaszcza defektu bliźniaczego, takiego jak DPB. Aby zmniejszyć niedopasowanie sieci, badacze wykorzystują 6H-SiC, 15R-SiC lub 4H-SiC na powierzchni (0001) jako podłoże do wzrostu warstwy epitaksjalnej 3C-SiC i zmniejszenia gęstości defektów. Na przykład w 2012 r. Seki, Kazuaki i in. zaproponowali technologię dynamicznej polimorficznej kontroli epitaksji, która realizuje polimorficzny selektywny wzrost 3C-SiC i 6H-SiC na powierzchniowym zarodku 6H-SiC (0001) poprzez kontrolowanie przesycenia [4-5]. W 2023 roku badacze tacy jak Xun Li zastosowali metodę CVD w celu optymalizacji wzrostu i procesu i z powodzeniem uzyskali gładki 3C-SiCwarstwa epitaksjalnabez defektów DPB na powierzchni na podłożu 4H-SiC przy szybkości wzrostu 14um/h[6].

Struktura kryształu i obszary zastosowań 3C SiC

Spośród wielu politypów SiCD, 3C-SiC jest jedynym politypem sześciennym, znanym również jako β-SiC. W tej strukturze krystalicznej atomy Si i C występują w sieci w stosunku jeden do jednego, a każdy atom jest otoczony czterema heterogenicznymi atomami, tworząc czworościenną jednostkę strukturalną z silnymi wiązaniami kowalencyjnymi. Cechą strukturalną 3C-SiC jest to, że warstwy dwuatomowe Si-C są wielokrotnie ułożone w kolejności ABC-ABC-…, a każda komórka elementarna zawiera trzy takie warstwy dwuatomowe, co nazywa się reprezentacją C3; strukturę krystaliczną 3C-SiC pokazano na poniższym rysunku:

Rysunek 1 Struktura krystaliczna 3C-SiC

Obecnie krzem (Si) jest najczęściej stosowanym materiałem półprzewodnikowym w urządzeniach zasilających. Jednak ze względu na wydajność Si, urządzenia zasilające oparte na krzemie są ograniczone. W porównaniu z 4H-SiC i 6H-SiC, 3C-SiC ma najwyższą teoretyczną ruchliwość elektronów w temperaturze pokojowej (1000 cm·V-1·S-1) i ma więcej zalet w zastosowaniach w urządzeniach MOS. Jednocześnie 3C-SiC ma również doskonałe właściwości, takie jak wysokie napięcie przebicia, dobra przewodność cieplna, wysoka twardość, szerokie pasmo wzbronione, odporność na wysoką temperaturę i odporność na promieniowanie. Dlatego ma ogromny potencjał w elektronice, optoelektronice, czujnikach i zastosowaniach w ekstremalnych warunkach, promując rozwój i innowacyjność powiązanych technologii oraz wykazując szeroki potencjał aplikacyjny w wielu dziedzinach:

Po pierwsze: szczególnie w środowiskach wysokiego napięcia, wysokiej częstotliwości i wysokiej temperatury, wysokie napięcie przebicia i wysoka ruchliwość elektronów 3C-SiC czynią go idealnym wyborem do produkcji urządzeń zasilających, takich jak MOSFET [7]. Po drugie: zastosowanie 3C-SiC w nanoelektronice i układach mikroelektromechanicznych (MEMS) korzysta z jego kompatybilności z technologią krzemową, umożliwiając wytwarzanie struktur w skali nano, takich jak nanoelektronika i urządzenia nanoelektromechaniczne [8]. Po trzecie: Jako materiał półprzewodnikowy o szerokiej przerwie energetycznej, 3C-SiC nadaje się do produkcjiniebieskie diody elektroluminescencyjne(diody LED). Jego zastosowanie w oświetleniu, technice wyświetlaczy i laserach przyciąga uwagę ze względu na wysoką skuteczność świetlną i łatwość domieszkowania [9]. Po czwarte: Jednocześnie 3C-SiC wykorzystuje się do produkcji detektorów czułych na położenie, zwłaszcza detektorów punktowych laserowych czułych na położenie, opartych na bocznym efekcie fotowoltaicznym, które wykazują wysoką czułość w warunkach zerowego odchylenia i nadają się do precyzyjnego pozycjonowania [10] .

3. Metoda otrzymywania heteroepitaksji 3C SiC

Główne metody wzrostu heteroepitaksji 3C-SiC obejmująchemiczne osadzanie z fazy gazowej (CVD), epitaksja sublimacyjna (SE), epitaksja w fazie ciekłej (LPE), epitaksja z wiązek molekularnych (MBE), rozpylanie magnetronowe itp. CVD jest preferowaną metodą epitaksji 3C-SiC ze względu na jej sterowalność i możliwości adaptacji (takie jak temperatura, przepływ gazu, ciśnienie w komorze i czas reakcji, co może zoptymalizować jakość warstwa epitaksjalna).

Chemiczne osadzanie z fazy gazowej (CVD): Złożony gaz zawierający pierwiastki Si i C przepuszcza się do komory reakcyjnej, ogrzewa i rozkłada w wysokiej temperaturze, a następnie atomy Si i atomy C wytrącają się na podłożu Si, czyli 6H-SiC, 15R- Podłoże SiC, 4H-SiC [11]. Temperatura tej reakcji wynosi zwykle 1300-1500℃. Typowe źródła Si obejmują SiH4, TCS, MTS itp., a źródła C obejmują głównie C2H4, C3H8 itp., z H2 jako gazem nośnym. Proces wzrostu obejmuje głównie następujące etapy: 1. Źródło reakcji w fazie gazowej transportuje się do strefy osadzania głównym strumieniem gazu. 2. W warstwie granicznej zachodzi reakcja w fazie gazowej, w wyniku której powstają prekursory cienkowarstwowe i produkty uboczne. 3. Proces wytrącania, adsorpcji i krakingu prekursora. 4. Zaadsorbowane atomy migrują i rekonstruują się na powierzchni podłoża. 5. Zaadsorbowane atomy zarodkują i rosną na powierzchni podłoża. 6. Masowy transport gazów odlotowych po reakcji do głównej strefy przepływu gazów i odprowadzanie ich z komory reakcyjnej. Rysunek 2 przedstawia schematyczny diagram CVD [12].

Rysunek 2 Schemat ideowy CVD

Metoda epitaksji sublimacyjnej (SE): Figura 3 przedstawia eksperymentalny diagram struktury metody SE wytwarzania 3C-SiC. Główne etapy to rozkład i sublimacja źródła SiC w strefie wysokiej temperatury, transport sublimatów oraz reakcja i krystalizacja sublimatów na powierzchni podłoża w niższej temperaturze. Szczegóły są następujące: podłoże 6H-SiC lub 4H-SiC umieszcza się na górze tygla iproszek SiC o wysokiej czystościjest używany jako surowiec SiC i umieszczany na dnietygiel grafitowy. Tygiel jest podgrzewany do 1900-2100 ℃ za pomocą indukcji częstotliwości radiowej, a temperatura podłoża jest kontrolowana tak, aby była niższa niż źródło SiC, tworząc osiowy gradient temperatury wewnątrz tygla, dzięki czemu sublimowany materiał SiC może kondensować i krystalizować na podłożu tworząc heteroepitaksjalny 3C-SiC.

Zalety epitaksji sublimacyjnej wynikają głównie z dwóch aspektów: 1. Temperatura epitaksji jest wysoka, co może zmniejszyć defekty kryształów; 2. Można go wytrawić, aby uzyskać wytrawioną powierzchnię na poziomie atomowym. Jednakże podczas procesu wzrostu nie można regulować źródła reakcji, stosunku krzemu do węgla, czasu, różnych sekwencji reakcji itp., co powoduje zmniejszenie sterowalności procesu wzrostu.

Rycina 3 Schematyczny diagram metody SE do hodowli epitaksji 3C-SiC

Epitaksja z wiązek molekularnych (MBE) to zaawansowana technologia wzrostu cienkowarstwowego, która jest odpowiednia do hodowli warstw epitaksjalnych 3C-SiC na podłożach 4H-SiC lub 6H-SiC. Podstawowa zasada tej metody polega na tym, że w środowisku ultrawysokiej próżni, poprzez precyzyjną kontrolę gazu źródłowego, elementy rosnącej warstwy epitaksjalnej nagrzewają się, tworząc kierunkową wiązkę atomową lub wiązkę molekularną i padającą na nagrzaną powierzchnię podłoża przez wzrost epitaksjalny. Typowe warunki uprawy 3C-SiCwarstwy epitaksjalnena podłożach 4H-SiC lub 6H-SiC: w warunkach bogatych w krzem grafen i źródła czystego węgla są wzbudzane do substancji gazowych za pomocą działa elektronowego, a jako temperaturę reakcji przyjmuje się 1200-1350℃. Heterepitaksjalny wzrost 3C-SiC można uzyskać przy szybkości wzrostu 0,01-0,1 nms-1 [13].

Wnioski i perspektywy

Oczekuje się, że dzięki ciągłemu postępowi technologicznemu i dogłębnym badaniom nad mechanizmami technologia heteroepitaksyjna 3C-SiC odegra ważniejszą rolę w przemyśle półprzewodników i będzie sprzyjać rozwojowi wysokowydajnych urządzeń elektronicznych. Na przykład dalsze badanie nowych technik i strategii wzrostu, takich jak wprowadzanie atmosfery HCl w celu zwiększenia tempa wzrostu przy jednoczesnym utrzymaniu niskiej gęstości defektów, jest kierunkiem przyszłych badań; pogłębione badania nad mechanizmem powstawania defektów oraz rozwój bardziej zaawansowanych technik charakteryzacji, takich jak analiza fotoluminescencji i katodoluminescencji, w celu uzyskania bardziej precyzyjnej kontroli defektów i optymalizacji właściwości materiałów; szybki rozwój wysokiej jakości grubowarstwowego 3C-SiC jest kluczem do zaspokojenia potrzeb urządzeń wysokiego napięcia i potrzebne są dalsze badania, aby przezwyciężyć równowagę między tempem wzrostu a jednorodnością materiału; w połączeniu z zastosowaniem 3C-SiC w strukturach heterogenicznych, takich jak SiC/GaN, zbadanie jego potencjalnych zastosowań w nowych urządzeniach, takich jak energoelektronika, integracja optoelektroniczna i kwantowe przetwarzanie informacji.

Referencje:

[1] Nishino S, Hazuki Y, Matsunami H i in. Chemiczne osadzanie z fazy gazowej pojedynczych krystalicznych filmów β-SiC na podłożu krzemowym z napyloną warstwą pośrednią SiC [J].Journal of The Electrochemical Society, 1980, 127(12):2674-2680.

[2] Ye Zhizhen, Wang Yadong, Huang Jingyun i in. Badania nad wzrostem w niskiej temperaturze cienkich warstw węglika krzemu na bazie krzemu [J]. Journal of Vacuum Science and Technology, 2002, 022(001):58-60 .

[3] An Xia, Zhuang Huizhao, Li Huaixiang i in. Przygotowanie cienkich warstw nano-SiC metodą rozpylania magnetronowego na podłożu (111) Si [J] Journal of Shandong Normal University: Natural Science Edition, 2001: 382-384 ..

[4] Seki K, Alexander, Kozawa S i in. Selektywny pod względem politypu wzrost SiC poprzez kontrolę przesycenia we wzroście roztworu [J]. Journal of Crystal Growth, 2012, 360:176-180.

[5] Chen Yao, Zhao Fuqiang, Zhu Bingxian, He Shuai. Przegląd rozwoju urządzeń zasilających z węglika krzemu w kraju i za granicą [J]. Vehicle and Power Technology, 2020: 49-54.

[6] Li X, Wang G. Wzrost CVD warstw 3C-SiC na podłożach 4H-SiC o ulepszonej morfologii [J].Solid State Communications, 2023:371.

[7] Hou Kaiwen. Badania nad podłożem wzorzystym Si i jego zastosowaniem we wzroście 3C-SiC [D]. Politechnika Xi'an, 2018.

[8]Lars, Hiller, Thomas i in. Wpływ wodoru na trawienie ECR 3C-SiC(100) Mes Structures[J].Materials Science Forum, 2014.

[9] Xu Qingfang. Przygotowanie cienkich warstw 3C-SiC metodą laserowego chemicznego osadzania z fazy gazowej [D].

[10] Foisal AR M, Nguyen T, Dinh T K i in. Heterostruktura 3C-SiC/Si: doskonała platforma dla detektorów wrażliwych na położenie w oparciu o efekt fotowoltaiczny [J].ACS Applied Materials & Interfaces, 2019: 40980-40987.

[11] Xin Bin. Wzrost heteroepitaksjalny 3C/4H-SiC w oparciu o proces CVD: charakterystyka i ewolucja defektów [D]. Uniwersytet Nauki i Technologii Elektronicznej w Xi'an.

[12] Dong Lin. Technologia epitaksjalnego wzrostu wielu płytek na dużej powierzchni i charakterystyka właściwości fizycznych węglika krzemu [D]. Uniwersytet Chińskiej Akademii Nauk, 2014.

[13] Diani M, Simon L, Kubler L i in. Wzrost kryształów politypu 3C-SiC na podłożu 6H-SiC(0001)[J]. Journal of Crystal Growth, 2002, 235(1):95-102.