A 3C SIC fejlesztési története

Mint fontos formájaszilícium -karbid, fejlődéstörténete3C-SICtükrözi a félvezető anyagtudomány folyamatos előrehaladását. Az 1980 -as években Nishino et al. Először a 4UM 3C-SIC vékony fóliákat kaptak szilícium szubsztrátokon kémiai gőzlerakódás (CVD) [1] segítségével, amely megalapozta a 3C-SIC vékony film technológiájának alapját.

Az 1990-es évek a SiC-kutatás aranykora volt. A Cree Research Inc. 1991-ben, illetve 1994-ben dobta piacra a 6H-SiC és 4H-SiC chipeket, ezzel is elősegítve aSiC félvezető eszközök- A technológiai fejlődés ebben az időszakban megalapozta a 3C-SIC későbbi kutatásának és alkalmazásának alapját.

A 21. század elejénHázi szilícium-alapú SIC vékony filmekbizonyos mértékig fejlesztették ki. Ye Zhizhen et al. Készített szilícium-alapú SIC vékony fóliákat CVD-vel alacsony hőmérsékleti körülmények között 2002-ben [2]. 2001 -ben egy Xia et al. Készített szilícium-alapú SIC vékony fóliákat mágneses porlasztással szobahőmérsékleten [3].

Azonban a Si és a SiC rácsállandója közötti nagy különbség miatt (körülbelül 20%) a 3C-SiC epitaxiális réteg hibasűrűsége viszonylag magas, különösen az iker hiba, például a DPB. A rács eltérésének csökkentése érdekében a kutatók 6H-SiC-et, 15R-SiC-et vagy 4H-SiC-ot használnak a (0001) felületén szubsztrátként a 3C-SiC epitaxiális réteg növekedéséhez és a hibasűrűség csökkentéséhez. Például 2012-ben Seki, Kazuaki et al. javasolta a dinamikus polimorf epitaxiás szabályozási technológiát, amely a 3C-SiC és 6H-SiC polimorf szelektív növekedését valósítja meg a 6H-SiC (0001) felszíni magokon a túltelítettség szabályozásával [4-5]. 2023-ban olyan kutatók, mint Xun Li, a CVD-módszert használták a növekedés és a folyamat optimalizálására, és sikeresen sima 3C-SiC-t kaptak.epitaxiális rétega 4H-SIC szubsztráton a felszínen lévő DPB-hibák nélkül 14um/h növekedési sebességgel [6].

A 3C SIC kristályszerkezete és alkalmazási területei

Sok SiCD politípus közül a 3C-SiC az egyetlen köbös politípus, más néven β-SiC. Ebben a kristályszerkezetben a Si és C atomok egy-egy arányban léteznek a rácsban, és mindegyik atomot négy heterogén atom vesz körül, amelyek erős kovalens kötésekkel tetraéderes szerkezeti egységet alkotnak. A 3C-SiC szerkezeti jellemzője, hogy a Si-C kétatomos rétegek ismétlődően ABC-ABC-… sorrendben vannak elrendezve, és minden egységcella három ilyen kétatomos réteget tartalmaz, amit C3 reprezentációnak nevezünk; A 3C-SiC kristályszerkezetét az alábbi ábra mutatja:

1. ábra A 3C-SiC kristályszerkezete

Jelenleg a szilícium (SI) a leggyakrabban használt félvezető anyag az elektromos készülékekhez. Az SI teljesítménye miatt azonban a szilícium-alapú tápegységek korlátozottak. A 4H-SIC és a 6H-SIC-hez képest a 3C-SIC a legmagasabb szobahőmérséklet-elméleti elektronmobilitással rendelkezik (1000 cm · V-1 · S-1), és több előnye van a MOS eszköz alkalmazásaiban. Ugyanakkor a 3C-SIC kiváló tulajdonságokkal is rendelkezik, mint például a nagy bontási feszültség, a jó hővezető képesség, a nagy keménység, a széles sávú, magas hőmérsékleti ellenállás és a sugárzási ellenállás. Ezért nagy potenciállal rendelkezik az elektronikában, az optoelektronikában, az érzékelőkben és az alkalmazásokban szélsőséges körülmények között, elősegítve a kapcsolódó technológiák fejlődését és innovációját, és sok területen széles körű alkalmazási potenciált mutatva:

Először: Különösen a nagyfeszültségű, magas frekvenciájú és magas hőmérsékletű környezetben a 3C-SIC nagy bontási feszültség és nagy elektronmobilitás ideális választássá teszi a gyártóberendezések gyártási eszközeit, például a MOSFET-et [7]. Másodszor: A 3C-SIC alkalmazása a nanoelektronikában és a mikroelektromechanikai rendszerekben (MEMS) előnyös a szilícium-technológiával való kompatibilitásból, lehetővé téve a nanoméretű struktúrák, például a nanoelektronika és a nanoelektromechanikus eszközök előállítását [8]. Harmadik: Széles sávú félvezető anyagként a 3C-SIC alkalmas a gyártáshozkék fénykibocsátó diódák(LED -ek). A világításban, a kijelző technológiájában és a lézerekben történő alkalmazása nagy fényű hatékonysága és könnyű doppingja miatt felhívta a figyelmet [9]. Negyedszer: Ugyanakkor a 3C-SIC-t a helyzetérzékeny detektorok, különösen a lézerpont helyzet-érzékeny detektorok előállításához használják az oldalsó fotovoltaikus hatás alapján, amelyek nagy érzékenységet mutatnak nulla torzítás körülmények között, és alkalmasak a pontos pozicionálásra [10] -

3. A 3C SIC heteroepitaxy előkészítési módszer

A 3C-SIC heteroepitaxy fő növekedési módszerei között szerepelkémiai gőzleválasztás (CVD), szublimációs epitaxia (SE), Folyékony fázisú epitaxia (LPE), molekuláris gerenda-epitaxia (MBE), magnetron porlasztás stb. A CVD az előnyben részesített módszer a 3C-SIC epitaxishoz, annak ellenőrzhetőségének és alkalmazkodóképességének köszönhetően (például a hőmérséklet, a gázáram, a kamranyomás és a reakcióidő, amely optimalizálhatja a minőségét epitaxiális réteg).

Kémiai gőzleválasztás (CVD): Si- és C-elemeket tartalmazó összetett gázt vezetnek a reakciókamrába, felmelegítik és magas hőmérsékleten lebontják, majd Si- és C-atomokat csapnak ki a Si-szubsztrátumra, vagy 6H-SiC, 15R- SiC, 4H-SiC szubsztrát [11]. Ennek a reakciónak a hőmérséklete általában 1300-1500 ℃. A gyakori Si-források közé tartozik a SiH4, TCS, MTS stb., a C-források pedig főleg a C2H4-et, C3H8-at stb. tartalmazzák, vivőgázként H2-vel. A növekedési folyamat főként a következő lépésekből áll: 1. A gázfázisú reakcióforrás a fő gázáramban a lerakódási zónába kerül. 2. A határrétegben gázfázisú reakció megy végbe, és vékonyréteg-prekurzorok és melléktermékek keletkeznek. 3. A prekurzor kiválási, adszorpciós és repedési folyamata. 4. Az adszorbeált atomok a szubsztrát felületén vándorolnak és rekonstruálódnak. 5. Az adszorbeált atomok magot képeznek és a szubsztrát felületén nőnek. 6. A füstgáz tömegszállítása a reakció után a fő gázáramlási zónába, és kikerül a reakciókamrából. A 2. ábra a CVD sematikus diagramja [12].

2. ábra A CVD vázlatos diagramja

Szublimációs epitaxia (SE) módszer: A 3. ábra a 3C-SIC előkészítésére szolgáló SE módszer kísérleti szerkezeti diagramja. A fő lépések a SIC forrás bomlása és szublimációja a magas hőmérsékleti zónában, a szublimák szállításának, valamint a szublimák reakciójának és kristályosodásának a szubsztrát felületén alacsonyabb hőmérsékleten. A részletek a következők: a 6H-SIC vagy a 4H-SIC szubsztrátot a tégely tetejére helyezik, ésnagy tisztaságú SIC porSiC nyersanyagként használják, és az aljára helyezikgrafittégely- A tégelyt 1900-2100 ℃-re melegítik a rádiófrekvenciás indukcióval, és a szubsztrát hőmérsékletét a SIC forrásnál alacsonyabbnak kell szabályozni, így a tégely belsejében tengelyirányú hőmérsékleti gradienst képeznek, így a szublimált SIC anyag kondenzálódhat és kristályosíthat a szubsztráton. A 3C-SIC heteroepitaxiális képződése.

A szublimációs epitaxia előnyei főként két vonatkozásban vannak: 1. Az epitaxiás hőmérséklet magas, ami csökkentheti a kristályhibákat; 2. Maratással atomi szinten maratott felületet kapunk. A növekedési folyamat során azonban a reakcióforrás nem állítható, a szilícium-szén arány, az idő, a különböző reakciósorrendek stb. nem változtathatók, ami a növekedési folyamat szabályozhatóságának csökkenését eredményezi.

3. ábra SE módszer vázlatos diagramja 3C-SiC epitaxia növelésére

A Molecular Beam epitaxy (MBE) egy fejlett vékonyréteg-növekedési technológia, amely alkalmas 3C-SiC epitaxiális rétegek növesztésére 4H-SiC vagy 6H-SiC szubsztrátumokon. Ennek a módszernek az alapelve: ultranagy vákuumkörnyezetben a forrásgáz precíz szabályozásával a növekvő epitaxiális réteg elemei felhevülnek, hogy irányított atomnyalábot vagy molekulanyalábot képezzenek, és a fűtött szubsztrátum felületére essen. epitaxiális növekedés. A 3C-SiC termesztésének általános feltételeiepitaxiális rétegek4H-SiC vagy 6H-SiC szubsztrátumokon: szilíciumban gazdag körülmények között a grafént és a tiszta szénforrásokat elektronágyúval gáznemű anyagokká gerjesztik, reakcióhőmérsékletként 1200-1350 ℃-ot használnak. A 3C-SiC heteroepitaxiális növekedés 0,01-0,1 nms-1 növekedési sebességgel érhető el [13].

Következtetés és kilátás

A folyamatos technológiai fejlődés és a mechanizmusok mélyreható kutatása révén a 3C-SiC heteroepitaxiális technológia várhatóan fontosabb szerepet fog játszani a félvezetőiparban, és elősegíti a nagy hatékonyságú elektronikai eszközök fejlesztését. Például az új növekedési technikák és stratégiák kutatásának folytatása, mint például a HCl-atmoszféra bevezetése a növekedési ráta növelése érdekében az alacsony hibasűrűség fenntartása mellett, a jövőbeli kutatások iránya; a hibaképződés mechanizmusának mélyreható kutatása, valamint fejlettebb jellemzési technikák, például fotolumineszcencia és katódlumineszcencia analízis kidolgozása a pontosabb hibakezelés elérése és az anyagtulajdonságok optimalizálása érdekében; a jó minőségű vastag fólia gyors növekedése A 3C-SiC a kulcsa a nagyfeszültségű eszközök igényeinek kielégítésének, és további kutatásokra van szükség a növekedési ütem és az anyag egyenletessége közötti egyensúly leküzdéséhez; kombinálva a 3C-SiC heterogén struktúrákban, mint például a SiC/GaN alkalmazásával, feltárja lehetséges alkalmazási lehetőségeit olyan új eszközökben, mint a teljesítményelektronika, az optoelektronikai integráció és a kvantuminformáció-feldolgozás.

Referenciák:

[1] Nishino S, Hazuki Y, Matsunami H, et al. Egykristályos β-SiC filmek kémiai gőzleválasztása porlasztott SiC köztes rétegű szilícium szubsztrátumon [J]. Journal of The Electrochemical Society, 1980, 127(12):2674-2680.

[2] Ye Zhizhen, Wang Yadong, Huang Jingyun és munkatársai: szilícium-alapú szilícium-karbid vékonyrétegek alacsony hőmérsékletű növekedése [J] Journal of Vacuum Science and Technology, 2002, 022(001):58-60. .

[3] Anxia, ​​Zhuang Huizhao, Li Huaixiang, Várakozás.

[4] Seki K, Alexander, Kozawa S et al. A SiC politípus-szelektív növekedése túltelítettségi szabályozással oldatnövekedésben[J]. Journal of Crystal Growth, 2012, 360:176-180.

[5] Chen Yao, Zhao Fuqiang, Zhu Bingxian, He Shuai A szilícium-karbid erőgépek fejlesztésének áttekintése itthon és külföldön [J] Vehicle and Power Technology, 2020: 49-54.

[6] Li X, Wang G. 3C-SiC rétegek CVD növekedése javított morfológiájú 4H-SiC hordozókon[J].Solid State Communications, 2023:371.

[7] Hou Kaiwen a Si-mintás szubsztrátról és annak alkalmazásáról a 3C-SiC növekedésben [D], 2018.

[8] Lars, Hiller, Thomas, et al. Hidrogénhatások a 3C-SIC (100) Mesa struktúrák ECR-rechingjében [J] .Materials Science Forum, 2014.

[9] Xu Qingfang 3C-SiC vékonyrétegek készítése lézeres kémiai gőzleválasztással [D], 2016.

[10] Foisal A R M , Nguyen T , Dinh T K , et al.3C-SiC/Si Heterostructure: Kiváló platform helyzetérzékeny detektorokhoz a fotovoltaikus effektus alapján[J].ACS Applied Materials & Interfaces, 2019: 409870-40987.

[11] Xin bin.

[12] Dong Lin. A szilícium-karbid nagy területű többlemezes epitaxiális növekedési technológiája [D], 2014.

[13] Diani M, Simon L, Kubler L, et al. 3C-SiC politípus kristálynövekedése 6H-SiC(0001) hordozón[J]. Journal of Crystal Growth, 2002, 235(1):95-102.