Η ιστορία ανάπτυξης του 3C SiC

Ως σημαντική μορφή τουκαρβίδιο του πυριτίου, την ιστορία της ανάπτυξης του3C-SiCαντανακλά τη συνεχή πρόοδο της επιστήμης των υλικών ημιαγωγών. Στη δεκαετία του 1980, οι Nishino et al. έλαβε για πρώτη φορά λεπτές μεμβράνες 4um 3C-SiC σε υποστρώματα πυριτίου με εναπόθεση χημικών ατμών (CVD) [1], που έθεσε τα θεμέλια για την τεχνολογία λεπτών φιλμ 3C-SiC.

Η δεκαετία του 1990 ήταν η χρυσή εποχή της έρευνας για το SiC. Η Cree Research Inc. κυκλοφόρησε τα τσιπ 6H-SiC και 4H-SiC το 1991 και το 1994 αντίστοιχα, προωθώντας την εμπορευματοποίηση τουΣυσκευές ημιαγωγών SiC. Η τεχνολογική πρόοδος κατά τη διάρκεια αυτής της περιόδου έθεσε τα θεμέλια για τη μετέπειτα έρευνα και εφαρμογή του 3C-SiC.

Στις αρχές του 21ου αιώνα,εγχώριες λεπτές μεμβράνες SiC με βάση το πυρίτιοαναπτύχθηκε επίσης σε κάποιο βαθμό. Ye Zhizhen et al. παρασκεύασε λεπτές μεμβράνες SiC με βάση το πυρίτιο με CVD υπό συνθήκες χαμηλής θερμοκρασίας το 2002 [2]. Το 2001, οι An Xia et al. παρασκεύασε λεπτές μεμβράνες SiC με βάση το πυρίτιο με ψεκασμό με μαγνητρόνιο σε θερμοκρασία δωματίου [3].

Ωστόσο, λόγω της μεγάλης διαφοράς μεταξύ της σταθεράς του πλέγματος του Si και αυτής του SiC (περίπου 20%), η πυκνότητα ελαττώματος του επιταξιακού στρώματος 3C-SiC είναι σχετικά υψηλή, ειδικά το δίδυμο ελάττωμα όπως το DPB. Προκειμένου να μειωθεί η αναντιστοιχία του πλέγματος, οι ερευνητές χρησιμοποιούν 6H-SiC, 15R-SiC ή 4H-SiC στην επιφάνεια (0001) ως υπόστρωμα για την ανάπτυξη του επιταξιακού στρώματος 3C-SiC και τη μείωση της πυκνότητας του ελαττώματος. Για παράδειγμα, το 2012, οι Seki, Kazuaki et al. πρότεινε την τεχνολογία ελέγχου δυναμικής πολυμορφικής επιταξίας, η οποία πραγματοποιεί την πολυμορφική επιλεκτική ανάπτυξη των 3C-SiC και 6H-SiC στον επιφανειακό σπόρο 6H-SiC (0001) ελέγχοντας τον υπερκορεσμό [4-5]. Το 2023, ερευνητές όπως ο Xun Li χρησιμοποίησαν τη μέθοδο CVD για να βελτιστοποιήσουν την ανάπτυξη και τη διαδικασία και απέκτησαν με επιτυχία ένα ομαλό 3C-SiCεπιταξιακό στρώμαχωρίς ελαττώματα DPB στην επιφάνεια σε υπόστρωμα 4H-SiC με ρυθμό ανάπτυξης 14um/h[6].

Κρυσταλλική Δομή και Πεδία Εφαρμογής του 3C SiC

Μεταξύ πολλών πολυτύπων SiCD, το 3C-SiC είναι ο μόνος κυβικός πολυτύπος, γνωστός και ως β-SiC. Σε αυτή την κρυσταλλική δομή, τα άτομα Si και C υπάρχουν σε αναλογία ένα προς ένα στο πλέγμα και κάθε άτομο περιβάλλεται από τέσσερα ετερογενή άτομα, σχηματίζοντας μια τετραεδρική δομική μονάδα με ισχυρούς ομοιοπολικούς δεσμούς. Το δομικό χαρακτηριστικό του 3C-SiC είναι ότι τα διατομικά στρώματα Si-C είναι επανειλημμένα διατεταγμένα με τη σειρά ABC-ABC-…, και κάθε κύτταρο μονάδας περιέχει τρία τέτοια διατομικά στρώματα, που ονομάζεται αναπαράσταση C3. η κρυσταλλική δομή του 3C-SiC φαίνεται στο παρακάτω σχήμα:

Σχήμα 1 Κρυσταλλική δομή του 3C-SiC

Επί του παρόντος, το πυρίτιο (Si) είναι το πιο συχνά χρησιμοποιούμενο υλικό ημιαγωγών για συσκευές ισχύος. Ωστόσο, λόγω της απόδοσης του Si, οι συσκευές ισχύος με βάση το πυρίτιο είναι περιορισμένες. Σε σύγκριση με το 4H-SiC και το 6H-SiC, το 3C-SiC έχει την υψηλότερη θεωρητική κινητικότητα ηλεκτρονίων σε θερμοκρασία δωματίου (1000 cm·V-1·S-1) και έχει περισσότερα πλεονεκτήματα σε εφαρμογές συσκευών MOS. Ταυτόχρονα, το 3C-SiC έχει επίσης εξαιρετικές ιδιότητες όπως υψηλή τάση διάσπασης, καλή θερμική αγωγιμότητα, υψηλή σκληρότητα, μεγάλο διάκενο ζώνης, αντοχή σε υψηλή θερμοκρασία και αντοχή στην ακτινοβολία. Ως εκ τούτου, έχει μεγάλες δυνατότητες στα ηλεκτρονικά, την οπτοηλεκτρονική, τους αισθητήρες και τις εφαρμογές υπό ακραίες συνθήκες, προωθώντας την ανάπτυξη και καινοτομία σχετικών τεχνολογιών και δείχνοντας ευρείες δυνατότητες εφαρμογής σε πολλούς τομείς:

Πρώτον: Ειδικά σε περιβάλλοντα υψηλής τάσης, υψηλής συχνότητας και υψηλής θερμοκρασίας, η υψηλή τάση διάσπασης και η υψηλή κινητικότητα ηλεκτρονίων του 3C-SiC το καθιστούν ιδανική επιλογή για την κατασκευή συσκευών ισχύος όπως το MOSFET [7]. Δεύτερον: Η εφαρμογή του 3C-SiC σε νανοηλεκτρονικά και μικροηλεκτρομηχανικά συστήματα (MEMS) επωφελείται από τη συμβατότητά του με την τεχνολογία πυριτίου, επιτρέποντας την κατασκευή δομών νανοκλίμακας όπως η νανοηλεκτρονική και οι νανοηλεκτρομηχανικές συσκευές [8]. Τρίτον: Ως υλικό ημιαγωγών ευρείας ζώνης, το 3C-SiC είναι κατάλληλο για την κατασκευήμπλε δίοδοι εκπομπής φωτός(LED). Η εφαρμογή του στον φωτισμό, την τεχνολογία απεικόνισης και τα λέιζερ έχει προσελκύσει την προσοχή λόγω της υψηλής φωτεινής απόδοσης και του εύκολου ντόπινγκ [9]. Τέταρτον: Ταυτόχρονα, το 3C-SiC χρησιμοποιείται για την κατασκευή ανιχνευτών που είναι ευαίσθητοι στη θέση, ειδικά ανιχνευτές λέιζερ με ευαισθησία στη θέση σημείου με βάση το πλευρικό φωτοβολταϊκό φαινόμενο, οι οποίοι παρουσιάζουν υψηλή ευαισθησία σε συνθήκες μηδενικής πόλωσης και είναι κατάλληλοι για ακριβή τοποθέτηση [10] .

3. Μέθοδος παρασκευής ετεροεπιταξίας 3C SiC

Οι κύριες μέθοδοι ανάπτυξης της ετεροεπιταξίας 3C-SiC περιλαμβάνουνχημική εναπόθεση ατμών (CVD), επιταξία εξάχνωσης (SE), επιταξία υγρής φάσης (LPE), επιταξία μοριακής δέσμης (MBE), διασκορπισμός μαγνητρονίων, κ.λπ. Η CVD είναι η προτιμώμενη μέθοδος για την επιταξία 3C-SiC λόγω της δυνατότητας ελέγχου και προσαρμοστικότητας (όπως θερμοκρασία, ροή αερίου, πίεση θαλάμου και χρόνος αντίδρασης, που μπορεί να βελτιστοποιήσει την ποιότητα του επιταξιακό στρώμα).

Εναπόθεση χημικών ατμών (CVD): Ένα σύνθετο αέριο που περιέχει στοιχεία Si και C διοχετεύεται στον θάλαμο αντίδρασης, θερμαίνεται και αποσυντίθεται σε υψηλή θερμοκρασία και στη συνέχεια άτομα Si και άτομα C κατακρημνίζονται στο υπόστρωμα Si ή 6H-SiC, 15R- SiC, υπόστρωμα 4H-SiC [11]. Η θερμοκρασία αυτής της αντίδρασης είναι συνήθως μεταξύ 1300-1500℃. Οι κοινές πηγές Si περιλαμβάνουν SiH4, TCS, MTS, κ.λπ., και οι πηγές C περιλαμβάνουν κυρίως C2H4, C3H8, κ.λπ., με το H2 ως το φέρον αέριο. Η διαδικασία ανάπτυξης περιλαμβάνει κυρίως τα ακόλουθα βήματα: 1. Η πηγή αντίδρασης αέριας φάσης μεταφέρεται στη ζώνη εναπόθεσης στην κύρια ροή αερίου. 2. Η αντίδραση αέριας φάσης λαμβάνει χώρα στο οριακό στρώμα για τη δημιουργία πρόδρομων ουσιών και παραπροϊόντων λεπτής μεμβράνης. 3. Η διαδικασία καθίζησης, προσρόφησης και πυρόλυσης του προδρόμου. 4. Τα προσροφημένα άτομα μεταναστεύουν και αναδομούνται στην επιφάνεια του υποστρώματος. 5. Τα προσροφημένα άτομα σχηματίζουν πυρήνες και αναπτύσσονται στην επιφάνεια του υποστρώματος. 6. Η μαζική μεταφορά των απαερίων μετά την αντίδραση στην κύρια ζώνη ροής αερίου και αφαιρείται από το θάλαμο αντίδρασης. Το σχήμα 2 είναι ένα σχηματικό διάγραμμα του CVD [12].

Σχήμα 2 Σχηματικό διάγραμμα CVD

Μέθοδος επιταξίας εξάχνωσης (SE): Το σχήμα 3 είναι ένα πειραματικό δομικό διάγραμμα της μεθόδου SE για την παρασκευή 3C-SiC. Τα κύρια βήματα είναι η αποσύνθεση και η εξάχνωση της πηγής SiC στη ζώνη υψηλής θερμοκρασίας, η μεταφορά των εξαχνωμάτων και η αντίδραση και κρυστάλλωση των εξαχνωμάτων στην επιφάνεια του υποστρώματος σε χαμηλότερη θερμοκρασία. Οι λεπτομέρειες είναι οι εξής: Το υπόστρωμα 6H-SiC ή 4H-SiC τοποθετείται στην κορυφή του χωνευτηρίου καισκόνη SiC υψηλής καθαρότηταςχρησιμοποιείται ως πρώτη ύλη SiC και τοποθετείται στο κάτω μέρος τουχωνευτήριο γραφίτη. Το χωνευτήριο θερμαίνεται στους 1900-2100℃ με επαγωγή ραδιοσυχνότητας και η θερμοκρασία του υποστρώματος ελέγχεται να είναι χαμηλότερη από την πηγή SiC, σχηματίζοντας μια αξονική κλίση θερμοκρασίας μέσα στο χωνευτήριο, έτσι ώστε το εξαχνωμένο υλικό SiC να μπορεί να συμπυκνωθεί και να κρυσταλλωθεί στο υπόστρωμα για να σχηματίσει 3C-SiC ετεροεπιταξιακό.

Τα πλεονεκτήματα της επιταξίας εξάχνωσης είναι κυρίως σε δύο όψεις: 1. Η θερμοκρασία της επιταξίας είναι υψηλή, γεγονός που μπορεί να μειώσει τα κρυσταλλικά ελαττώματα. 2. Μπορεί να χαραχθεί για να ληφθεί μια χαραγμένη επιφάνεια σε ατομικό επίπεδο. Ωστόσο, κατά τη διάρκεια της διαδικασίας ανάπτυξης, η πηγή αντίδρασης δεν μπορεί να ρυθμιστεί και η αναλογία πυριτίου-άνθρακα, ο χρόνος, οι διάφορες αλληλουχίες αντίδρασης κ.λπ. δεν μπορούν να αλλάξουν, με αποτέλεσμα τη μείωση της δυνατότητας ελέγχου της διαδικασίας ανάπτυξης.

Σχήμα 3 Σχηματικό διάγραμμα της μεθόδου SE για την ανάπτυξη της επιταξίας 3C-SiC

Η μοριακή επιταξία δέσμης (MBE) είναι μια προηγμένη τεχνολογία ανάπτυξης λεπτής μεμβράνης, η οποία είναι κατάλληλη για την ανάπτυξη επιταξιακών στρωμάτων 3C-SiC σε υποστρώματα 4H-SiC ή 6H-SiC. Η βασική αρχή αυτής της μεθόδου είναι: σε περιβάλλον εξαιρετικά υψηλού κενού, μέσω ακριβούς ελέγχου του αερίου πηγής, τα στοιχεία του αναπτυσσόμενου επιταξιακού στρώματος θερμαίνονται για να σχηματίσουν μια κατευθυντική ατομική δέσμη ή μοριακή δέσμη και προσπίπτουν στη θερμαινόμενη επιφάνεια του υποστρώματος για επιταξιακή ανάπτυξη. Οι κοινές συνθήκες για την καλλιέργεια 3C-SiCεπιταξιακά στρώματασε υποστρώματα 4H-SiC ή 6H-SiC είναι: υπό συνθήκες πλούσιες σε πυρίτιο, οι πηγές γραφενίου και καθαρού άνθρακα διεγείρονται σε αέριες ουσίες με ένα όπλο ηλεκτρονίων και χρησιμοποιούνται 1200-1350℃ ως θερμοκρασία αντίδρασης. Η ετεροεπιταξιακή ανάπτυξη 3C-SiC μπορεί να επιτευχθεί με ρυθμό ανάπτυξης 0,01-0,1 nms-1 [13].

Συμπέρασμα και Προοπτική

Μέσω της συνεχούς τεχνολογικής προόδου και της εις βάθος έρευνας μηχανισμών, η ετεροεπιταξιακή τεχνολογία 3C-SiC αναμένεται να διαδραματίσει σημαντικότερο ρόλο στη βιομηχανία ημιαγωγών και να προωθήσει την ανάπτυξη ηλεκτρονικών συσκευών υψηλής απόδοσης. Για παράδειγμα, η συνέχιση της εξερεύνησης νέων τεχνικών και στρατηγικών ανάπτυξης, όπως η εισαγωγή ατμόσφαιρας HCl για την αύξηση του ρυθμού ανάπτυξης διατηρώντας παράλληλα χαμηλή πυκνότητα ελαττώματος, είναι η κατεύθυνση της μελλοντικής έρευνας. εις βάθος έρευνα για τον μηχανισμό σχηματισμού ελαττωμάτων και ανάπτυξη πιο προηγμένων τεχνικών χαρακτηρισμού, όπως ανάλυση φωτοφωταύγειας και καθοδωφωταύγειας, για την επίτευξη ακριβέστερου ελέγχου ελαττωμάτων και τη βελτιστοποίηση των ιδιοτήτων του υλικού. Η ταχεία ανάπτυξη του υψηλής ποιότητας παχύ φιλμ 3C-SiC είναι το κλειδί για την κάλυψη των αναγκών των συσκευών υψηλής τάσης και απαιτείται περαιτέρω έρευνα για να ξεπεραστεί η ισορροπία μεταξύ του ρυθμού ανάπτυξης και της ομοιομορφίας του υλικού. σε συνδυασμό με την εφαρμογή του 3C-SiC σε ετερογενείς δομές όπως το SiC/GaN, διερευνούν τις πιθανές εφαρμογές του σε νέες συσκευές όπως ηλεκτρονικά ισχύος, οπτοηλεκτρονική ολοκλήρωση και κβαντική επεξεργασία πληροφοριών.

Παραπομπές:

[1] Nishino S, Hazuki Y, Matsunami H, et al. Chemical Vapor Deposition of Single Crystalline β-SiC Films on Silicon Substrate with Sputtered SiC Intermediate Layer[J].Journal of The Electrochemical Society, 1980, 127(12):2674-2680.

[2] Ye Zhizhen, Wang Yadong, Huang Jingyun, κ.ά. .

[3] An Xia, Zhuang Huizhao, Li Huaixiang, κ.ά ..

[4] Seki K, Alexander, Kozawa S, et al. Πολυτυπική εκλεκτική ανάπτυξη SiC με έλεγχο υπερκορεσμού σε ανάπτυξη διαλύματος[J]. Journal of Crystal Growth, 2012, 360:176-180.

[5] Chen Yao, Zhao Fuqiang, Zhu Bingxian, He Shuai Επισκόπηση της ανάπτυξης συσκευών ισχύος από καρβίδιο πυριτίου στο εσωτερικό και στο εξωτερικό [J] Τεχνολογία οχημάτων και ισχύος, 2020: 49-54.

[6] Li X, Wang G .CVD ανάπτυξη στρωμάτων 3C-SiC σε υποστρώματα 4H-SiC με βελτιωμένη μορφολογία[J].Solid State Communications, 2023:371.

[7] Έρευνα Hou Kaiwen για το υπόστρωμα με μοτίβο Si και την εφαρμογή του στην ανάπτυξη 3C-SiC [D].

[8]Lars, Hiller, Thomas, et al. Hydrogen Effects in ECR-Etching of 3C-SiC(100) Mesa Structures[J].Materials Science Forum, 2014.

[9] Xu Qingfang Προετοιμασία λεπτών μεμβρανών 3C-SiC με χημική εναπόθεση ατμών [D].

[10] Foisal A R M , Nguyen T , Dinh T K , et al.3C-SiC/Si Heterostructure: An Excellent Platform for Position-Sensitive Detectors Based on Photovoltaic Effect[J].ACS Applied Materials & Interfaces, 2019: 40987.

[11] Xin Bin 3C/4H-SiC ετεροεπιταξιακή ανάπτυξη με βάση τη διαδικασία CVD: χαρακτηρισμός ελαττώματος και εξέλιξη [D].

[12] Dong Lin Τεχνολογία επιταξιακής ανάπτυξης πολλαπλών βαφών και χαρακτηρισμός φυσικών ιδιοτήτων του καρβιδίου του πυριτίου [D], 2014.

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