3C SIC plėtros istorija

Kaip svarbi formaSilicio karbidas, plėtros istorija3c-siCatspindi nuolatinę puslaidininkių medžiagų mokslo pažangą. Devintajame dešimtmetyje Nishino ir kt. pirmą kartą buvo gautos 4 um 3C-SiC plonos plėvelės ant silicio substratų cheminiu garų nusodinimu (CVD) [1], kuri padėjo pagrindą 3C-SiC plonasluoksnių sluoksnių technologijai.

Dešimtajame dešimtmetyje buvo SIC tyrimų auksinis amžius. „Cree Research Inc.“ 1991 ir 1994 mSiC puslaidininkių įtaisai. Technologinė pažanga per šį laikotarpį padėjo pagrindą tolesniems 3C-SiC tyrimams ir pritaikymui.

XXI amžiaus pradžiojebuitinės silicio pagrindo plonos SiC plėvelėstaip pat tam tikru mastu išsivystė. Ye Zhizhen ir kt. 2002 m. žemos temperatūros sąlygomis CVD būdu paruošė plonas silicio pagrindo SiC plėveles [2]. 2001 m. An Xia ir kt. paruoštos plonos silicio pagrindo SiC plėvelės magnetroniniu purškimu kambario temperatūroje [3].

Tačiau dėl didelio skirtumo tarp Si ir SiC gardelės konstantos (apie 20%) 3C-SiC epitaksinio sluoksnio defektų tankis yra gana didelis, ypač dvigubo defekto, pvz., DPB. Siekdami sumažinti gardelės neatitikimą, mokslininkai naudoja 6H-SiC, 15R-SiC arba 4H-SiC (0001) paviršiuje kaip substratą, kad augintų 3C-SiC epitaksinį sluoksnį ir sumažintų defektų tankį. Pavyzdžiui, 2012 metais Seki, Kazuaki ir kt. pasiūlė dinaminę polimorfinę epitaksijos valdymo technologiją, kuri realizuoja polimorfinį selektyvų 3C-SiC ir 6H-SiC augimą ant 6H-SiC (0001) paviršiaus sėklos, kontroliuojant persotinimą [4-5]. 2023 m. mokslininkai, tokie kaip Xun Li, naudojo CVD metodą, kad optimizuotų augimą ir procesą, ir sėkmingai gavo sklandų 3C-SiC.Epitaksinis sluoksnisbe DPB defektų ant paviršiaus ant 4H-SIC substrato, kurio augimo greitis buvo 14um/h [6].

3C SIC kristalų struktūros ir taikymo laukai

Tarp daugelio SiCD politipų 3C-SiC yra vienintelis kubinis politipas, dar žinomas kaip β-SiC. Šioje kristalinėje struktūroje Si ir C atomai egzistuoja santykiu vienas su vienu, o kiekvienas atomas yra apsuptas keturių nevienalyčių atomų, sudarančių tetraedrinį struktūrinį vienetą su stipriais kovalentiniais ryšiais. 3C-SiC struktūrinė ypatybė yra ta, kad Si-C diatominiai sluoksniai yra pakartotinai išdėstyti ABC-ABC-… tvarka, ir kiekvienoje vienetinėje ląstelėje yra trys tokie dviatominiai sluoksniai, kurie vadinami C3 reprezentacija; 3C-SiC kristalinė struktūra parodyta paveikslėlyje žemiau:

1 pav. 3C-SIC kristalų struktūra

Šiuo metu silicis (Si) yra dažniausiai naudojama puslaidininkinė medžiaga galios įrenginiuose. Tačiau dėl Si našumo silicio pagrindu pagaminti maitinimo įrenginiai yra riboti. Palyginti su 4H-SiC ir 6H-SiC, 3C-SiC turi didžiausią kambario temperatūros teorinį elektronų judrumą (1000 cm·V-1·S-1) ir turi daugiau pranašumų naudojant MOS įrenginius. Tuo pačiu metu 3C-SiC taip pat turi puikių savybių, tokių kaip aukšta gedimo įtampa, geras šilumos laidumas, didelis kietumas, platus diapazonas, atsparumas aukštai temperatūrai ir atsparumas spinduliuotei. Todėl jis turi didelį potencialą elektronikoje, optoelektronikoje, jutikliuose ir taikomosiose srityse ekstremaliomis sąlygomis, skatina susijusių technologijų plėtrą ir inovacijas bei parodo platų pritaikymo potencialą daugelyje sričių:

Pirma: ypač esant aukštai įtampai, aukšto dažnio ir aukštos temperatūros aplinkai, 3C-SIC aukšta skilimo įtampa ir didelis elektronų mobilumas yra idealus pasirinkimas tokiems gamybos įrenginiams kaip MOSFET [7]. Antra: 3C-SIC pritaikymas nanoelektronikoje ir mikroelektromechaninėse sistemose (MEMS) yra naudingas jo suderinamumui su silicio technologija, leidžiančia gaminti nanoskalės struktūras, tokias kaip nanoelektronika ir nanoelektromechaniniai prietaisai [8]. Trečia: kaip platus juostos puslaidininkių medžiaga, 3C-SIC tinka gamintiMėlynos šviesos diodai(LED). Jo taikymas apšvietime, ekranų technologijose ir lazeriuose patraukė dėmesį dėl didelio šviesos efektyvumo ir lengvo dopingo [9]. Ketvirta: tuo pačiu metu 3C-SiC naudojamas padėties jautrių detektorių, ypač lazerinio taško padėties jautrių detektorių, pagrįstų šoniniu fotovoltiniu efektu, gamybai, kurie rodo didelį jautrumą nulinio poslinkio sąlygomis ir yra tinkami tiksliam padėties nustatymui [10]. .

3. 3C SiC heteroepitaksijos paruošimo būdas

Pagrindiniai 3C-SiC heteroepitaksijos augimo metodai apimaCheminis garų nusėdimas (CVD), sublimacinė epitaksija (SE), skystos fazės epitaksija (LPE), molekulinės pluošto epitaksija (MBE), magnetronų dulkinimas ir kt. epitaksinis sluoksnis).

Cheminis nusodinimas garais (CVD): sudėtinės dujos, kuriose yra Si ir C elementų, patenka į reakcijos kamerą, kaitinamos ir suskaidomos aukštoje temperatūroje, o tada Si ir C atomai nusodinami ant Si substrato arba 6H-SiC, 15R- SiC, 4H-SiC substratas [11]. Šios reakcijos temperatūra paprastai yra tarp 1300-1500 ℃. Įprasti Si šaltiniai yra SiH4, TCS, MTS ir tt, o C šaltiniai daugiausia apima C2H4, C3H8 ir kt., o H2 yra nešančiosios dujos. Auginimo procesas daugiausia apima šiuos etapus: 1. Dujinės fazės reakcijos šaltinis yra transportuojamas į nusodinimo zoną pagrindiniame dujų sraute. 2. Dujinės fazės reakcija vyksta ribiniame sluoksnyje, kad susidarytų plonos plėvelės pirmtakai ir šalutiniai produktai. 3. Prekursoriaus nusodinimo, adsorbcijos ir krekingo procesas. 4. Adsorbuoti atomai migruoja ir rekonstruoja substrato paviršių. 5. Adsorbuoti atomai formuojasi branduoliais ir auga substrato paviršiuje. 6. Išmetamųjų dujų masė po reakcijos pernešama į pagrindinę dujų srauto zoną ir pašalinama iš reakcijos kameros. 2 paveiksle yra CVD schema [12].

2 pav. CVD schema

Sublimacinės epitaksijos (SE) metodas: 3 paveiksle parodyta SE metodo 3C-SiC paruošimo eksperimentinė struktūros diagrama. Pagrindiniai etapai yra SiC šaltinio skaidymas ir sublimacija aukštos temperatūros zonoje, sublimatų pernešimas ir sublimatų reakcija ir kristalizacija substrato paviršiuje žemesnėje temperatūroje. Išsami informacija yra tokia: 6H-SiC arba 4H-SiC substratas dedamas ant tiglio viršaus irDidelio grynumo sic milteliainaudojamas kaip SiC žaliava ir dedamas į dugnągrafito tiglis. Tiglis kaitinamas iki 1900-2100 ℃ radijo dažnio indukcija, o substrato temperatūra kontroliuojama, kad ji būtų žemesnė nei SiC šaltinio, todėl tiglio viduje susidaro ašinis temperatūros gradientas, kad sublimuota SiC medžiaga galėtų kondensuotis ir kristalizuotis ant pagrindo. kad susidarytų 3C-SiC heteroepitaksinis.

Sublimacinės epitaksijos pranašumai daugiausia yra du aspektai: 1. Epitaksijos temperatūra yra aukšta, o tai gali sumažinti kristalų defektus; 2. Jis gali būti išgraviruotas, kad būtų gautas išgraviruotas paviršius atominiame lygyje. Tačiau augimo proceso metu negalima reguliuoti reakcijos šaltinio, keisti silicio ir anglies santykio, laiko, įvairių reakcijų sekos ir pan., todėl augimo proceso valdomumas mažėja.

3 pav. SE metodo 3C-SiC epitaksijos auginimui schema

Molekulinės pluošto epitaksija (MBE) yra pažangi plonos plėvelės augimo technologija, tinkama auginti 3C-SIC epitaksinius sluoksnius ant 4H-SIC arba 6H-SIC substratų. Pagrindinis šio metodo principas yra toks: ypač aukštoje vakuuminėje aplinkoje, tiksliai kontroliuojant šaltinio dujas, augančio epitaksinio sluoksnio elementai yra kaitinami, kad susidarytų kryptinė atominė pluošta arba molekulinė spinduliu ir patenkintų ant kaitinamo substrato paviršiaus, kad būtų galima šildomo substrato paviršiaus, kad būtų galima šildomo substrato paviršiuje, kad būtų galima šildomo substrato paviršiaus, kad būtų galima šildyto substrato paviršiaus, kad būtų galima naudoti šildomo substrato paviršių, kad būtų galima šildyto substrato paviršiaus, kad būtų galima šildyto substrato paviršiaus, kad būtų galima šildyto substrato paviršiaus, kad būtų galima šildomo substrato paviršiaus, kad būtų galima šildyto substrato paviršiaus, kad būtų galima šildyto substrato paviršiaus, kad būtų galima šildyti substrato paviršių, kad būtų galima šildyti ant šildomo substrato paviršiaus, kad būtų galima šildyti. epitaksinis augimas. Bendros 3C-SIC auginimo sąlygosepitaksiniai sluoksniaiant 4H-SiC arba 6H-SiC substratų yra: esant daug silicio, grafenas ir grynos anglies šaltiniai sužadinami į dujines medžiagas elektroniniu pistoletu, o kaip reakcijos temperatūra naudojama 1200-1350 ℃. 3C-SiC heteroepitaksinis augimas gali būti gautas esant 0,01-0,1 nms-1 augimo greičiui [13].

Išvada ir perspektyva

Tikimasi, kad atliekant nuolatinę technologinę pažangą ir išsamius mechanizmo tyrimus, tikimasi, kad 3C-SIC heteroepitaksinė technologija vaidins svarbesnį vaidmenį puslaidininkių pramonėje ir skatins didelio efektyvumo elektroninių prietaisų kūrimą. Pavyzdžiui, ir toliau tyrinėti naujus augimo metodus ir strategijas, tokias kaip HCL atmosferos įvedimas siekiant padidinti augimo greitį išlaikant mažą defektų tankį, yra būsimų tyrimų kryptis; Išsamūs defektų formavimo mechanizmo tyrimai ir labiau pažengusiųjų apibūdinimo metodų, tokių kaip fotoliuminescencija ir katodoliuminescencijos analizė, kūrimas, siekiant tikslesnės defektų kontrolės ir optimizuoti medžiagų savybes; Spartus aukštos kokybės storos plėvelės 3C-SIC augimas yra raktas norint patenkinti aukštos įtampos prietaisų poreikius, ir norint įveikti augimo greičio ir materialinio vienodumo pusiausvyrą reikia atlikti papildomus tyrimus; Kartu su 3C-SIC taikymu heterogeninėse struktūrose, tokiose kaip SIC/GAN, ištirkite jo galimus pritaikymus naujuose įrenginiuose, tokiuose kaip „Power Electronics“, optoelektroninė integracija ir kvantinės informacijos apdorojimas.

Nuorodos:

[1] Nishino S, Hazuki Y, Matsunami H ir kt. Vienkristalinių β‐SiC plėvelių cheminis nusodinimas garais ant silicio substrato su išpuršktu SiC tarpiniu sluoksniu[J].Journal of The Electrochemical Society, 1980, 127(12):2674-2680.

[2] Ye Zhizhen, Wang Yadong, Huang Jingyun ir kt.

[3] Anyxia, Zhuang Huizhao, Li Huaixiang, laukia.

[4] Seki K, Alexander, Kozawa S ir kt. Poliype selektyvus SIC augimas padidinant tirpalo augimą [J]. Journal of Crystal Growth, 2012, 360: 176-180.

[5] Chen Yao, Zhao Fuqiang, Zhu Bingxian, He Shuai Silicio karbido galios įrenginių kūrimo namuose ir užsienyje apžvalga [J], 2020: 49-54.

[6] Li X, Wang G .CVD 3C-SIC sluoksnių augimas ant 4H-SIC substratų su patobulinta morfologija [J]. Solidos būsenos ryšiai, 2023: 371.

[7] Hou Kaiwen tyrimai dėl Si rašto substrato ir jo taikymo 3C-SiC augimui [D], 2018 m.

[8] Larsas, Hilleris, Thomas ir kt. Vandenilio efektai ECR-Etching of 3C-SiC(100) Mesa Structures[J].Medžiagų mokslo forumas, 2014 m.

[9] XU Qingfang.

[10] Foisal A R M, Nguyen T, Dinh T K ir kt.3c-SIC/Si heterostruktūra: puiki platforma padėties jautriems detektoriams, pagrįsti fotoelektriniu efektu [j] .ACS taikomosios medžiagos ir sąsajos, 2019: 40980-40987.

[11] Xin Bin 3C/4H-SiC heteroepitaksinis augimas, pagrįstas CVD procesu: defektų apibūdinimas ir raida [D].

[12] Dong Lin. Didelio ploto kelių plokštelių epitaksinio augimo technologija ir fizinės silicio karbido savybės [D], Kinijos mokslų akademijos universitetas, 2014 m.

[13] Diani M, Simon L, Kubler L ir kt. 3C-SiC politipo kristalų augimas ant 6H-SiC(0001) substrato[J]. Journal of Crystal Growth, 2002, 235(1):95-102.