3C SiC'nin Gelişim Tarihi

Önemli bir form olaraksilisyum karbür, gelişim tarihi3C-SiCyarı iletken malzeme biliminin sürekli ilerlemesini yansıtır. 1980'lerde Nishino ve ark. ilk olarak kimyasal buhar biriktirme (CVD) [1] yoluyla silikon substratlar üzerinde 4um 3C-SiC ince filmler elde etti ve bu, 3C-SiC ince film teknolojisinin temelini attı.

1990'lar SiC araştırmalarının altın çağıydı. Cree Research Inc., sırasıyla 1991 ve 1994 yıllarında 6H-SiC ve 4H-SiC yongalarını piyasaya sürerek ticarileşmesini teşvik etti.SiC yarı iletken cihazlar. Bu dönemdeki teknolojik ilerleme, 3C-SiC'nin daha sonraki araştırma ve uygulamalarının temelini attı.

21. yüzyılın başlarında,yerli silikon bazlı SiC ince filmlerda belli ölçüde gelişmiştir. Ye Zhizhen ve ark. 2002 yılında düşük sıcaklık koşullarında CVD ile silikon bazlı SiC ince filmler hazırladı [2]. 2001 yılında An Xia ve ark. oda sıcaklığında magnetron püskürtme yöntemiyle silikon bazlı SiC ince filmler hazırladı [3].

Ancak Si'nin kafes sabiti ile SiC'nin kafes sabiti arasındaki büyük farktan dolayı (yaklaşık %20), 3C-SiC epitaksiyel katmanının kusur yoğunluğu, özellikle DPB gibi ikiz kusur nispeten yüksektir. Kafes uyumsuzluğunu azaltmak için araştırmacılar, 3C-SiC epitaksiyel katmanını büyütmek ve kusur yoğunluğunu azaltmak için (0001) yüzeyinde alt tabaka olarak 6H-SiC, 15R-SiC veya 4H-SiC kullanıyor. Örneğin 2012 yılında Seki, Kazuaki ve ark. süperdoymayı kontrol ederek 6H-SiC (0001) yüzey tohumu üzerinde 3C-SiC ve 6H-SiC'nin polimorfik seçici büyümesini gerçekleştiren dinamik polimorfik epitaksi kontrol teknolojisini önermiştir [4-5]. 2023 yılında Xun Li gibi araştırmacılar büyümeyi ve süreci optimize etmek için CVD yöntemini kullandılar ve sorunsuz bir 3C-SiC elde etmeyi başardılar.epitaksiyel katman14um/saatlik bir büyüme hızında 4H-SiC substratının yüzeyinde hiçbir DPB kusuru yoktur[6].

3C SiC’nin Kristal Yapısı ve Uygulama Alanları

Birçok SiCD politipi arasında 3C-SiC, β-SiC olarak da bilinen tek kübik politiptir. Bu kristal yapıda Si ve C atomları kafes içinde bire bir oranda bulunur ve her atom dört heterojen atomla çevrelenerek güçlü kovalent bağlara sahip dört yüzlü bir yapı birimi oluşturur. 3C-SiC'nin yapısal özelliği, Si-C diatomik katmanlarının ABC-ABC-… sırasına göre tekrar tekrar düzenlenmesi ve her birim hücrenin, C3 temsili olarak adlandırılan bu tür üç diatomik katman içermesidir; 3C-SiC'nin kristal yapısı aşağıdaki şekilde gösterilmektedir:

Şekil 1 3C-SiC'nin kristal yapısı

Şu anda silikon (Si), güç cihazlarında en yaygın kullanılan yarı iletken malzemedir. Ancak Si'nin performansı nedeniyle silikon bazlı güç cihazları sınırlıdır. 4H-SiC ve 6H-SiC ile karşılaştırıldığında 3C-SiC, oda sıcaklığında en yüksek teorik elektron hareketliliğine (1000 cm·V-1·S-1) sahiptir ve MOS cihaz uygulamalarında daha fazla avantaja sahiptir. Aynı zamanda 3C-SiC, yüksek arıza voltajı, iyi ısı iletkenliği, yüksek sertlik, geniş bant aralığı, yüksek sıcaklık direnci ve radyasyon direnci gibi mükemmel özelliklere de sahiptir. Bu nedenle elektronik, optoelektronik, sensörler ve zorlu koşullardaki uygulamalarda büyük bir potansiyele sahiptir; ilgili teknolojilerin geliştirilmesini ve yenilenmesini teşvik eder ve birçok alanda geniş uygulama potansiyeli gösterir:

Birincisi: Özellikle yüksek voltaj, yüksek frekans ve yüksek sıcaklık ortamlarında, 3C-SiC'nin yüksek arıza voltajı ve yüksek elektron hareketliliği, onu MOSFET gibi güç cihazlarının üretimi için ideal bir seçim haline getirmektedir [7]. İkincisi: 3C-SiC'nin nanoelektronik ve mikroelektromekanik sistemlerde (MEMS) uygulanması, silikon teknolojisiyle uyumluluğundan yararlanır ve nanoelektronik ve nanoelektromekanik cihazlar gibi nano ölçekli yapıların üretimine olanak tanır [8]. Üçüncüsü: Geniş bant aralıklı bir yarı iletken malzeme olarak 3C-SiC, aşağıdakilerin üretimi için uygundur:mavi ışık yayan diyotlar(LED'ler). Aydınlatma, görüntüleme teknolojisi ve lazerlerdeki uygulamaları, yüksek ışık verimliliği ve kolay katkılanması nedeniyle dikkat çekmiştir [9]. Dördüncüsü: Aynı zamanda 3C-SiC, sıfır öngerilim koşulları altında yüksek hassasiyet gösteren ve hassas konumlandırmaya uygun, pozisyona duyarlı dedektörler, özellikle yanal fotovoltaik etkiye dayalı lazer noktası pozisyona duyarlı dedektörler üretmek için kullanılır [10] .

3. 3C SiC heteroepitaksinin hazırlanma yöntemi

3C-SiC heteroepitaksinin ana büyüme yöntemleri şunları içerir:kimyasal buhar biriktirme (CVD), Süblimasyon epitaksisi (SE), sıvı faz epitaksi (LPE), moleküler ışın epitaksisi (MBE), magnetron püskürtme vb. Kontrol edilebilirliği ve uyarlanabilirliği (sıcaklık, gaz akışı, oda basıncı ve reaksiyon süresi gibi) nedeniyle CVD, 3C-SiC epitaksi için tercih edilen yöntemdir. epitaksiyel katman).

Kimyasal buhar biriktirme (CVD): Si ve C elementleri içeren bir bileşik gaz reaksiyon odasına geçirilir, ısıtılır ve yüksek sıcaklıkta ayrıştırılır ve ardından Si atomları ve C atomları Si substratı veya 6H-SiC, 15R- üzerine çökeltilir. SiC, 4H-SiC substratı [11]. Bu reaksiyonun sıcaklığı genellikle 1300-1500°C arasındadır. Yaygın Si kaynakları SiH4, TCS, MTS, vb.'yi içerir ve C kaynakları esas olarak taşıyıcı gaz olarak H2 ile C2H4, C3H8 vb.'yi içerir. Büyüme süreci temel olarak aşağıdaki adımları içerir: 1. Gaz fazı reaksiyon kaynağı, ana gaz akışındaki biriktirme bölgesine taşınır. 2. İnce film öncüllerini ve yan ürünlerini oluşturmak için sınır tabakasında gaz fazı reaksiyonu meydana gelir. 3. Öncülün çökeltilmesi, adsorpsiyonu ve parçalanması süreci. 4. Adsorplanan atomlar substrat yüzeyinde göç eder ve yeniden oluşturulur. 5. Adsorplanan atomlar substrat yüzeyinde çekirdeklenir ve büyür. 6. Reaksiyondan sonra atık gazın ana gaz akış bölgesine kütle olarak taşınması ve reaksiyon odasından dışarı alınması. Şekil 2 CVD'nin [12] şematik diyagramıdır.

Şekil 2 CVD'nin şematik diyagramı

Süblimasyon epitaksi (SE) yöntemi: Şekil 3, 3C-SiC'nin hazırlanmasına yönelik SE yönteminin deneysel yapı diyagramıdır. Ana adımlar, SiC kaynağının yüksek sıcaklık bölgesinde ayrışması ve süblimleşmesi, süblimatların taşınması ve süblimatların altlık yüzeyinde daha düşük bir sıcaklıkta reaksiyonu ve kristalleşmesidir. Detaylar şu şekildedir: 6H-SiC veya 4H-SiC substratı potanın tepesine yerleştirilir veyüksek saflıkta SiC tozuSiC hammaddesi olarak kullanılır ve tabanına yerleştirilir.grafit pota. Pota, radyo frekansı indüksiyonu ile 1900-2100 ° C'ye ısıtılır ve alt tabaka sıcaklığı, SiC kaynağından daha düşük olacak şekilde kontrol edilir, böylece potanın içinde eksenel bir sıcaklık gradyanı oluşturulur, böylece süblimleştirilmiş SiC malzemesi alt tabaka üzerinde yoğunlaşabilir ve kristalleşebilir. 3C-SiC heteroepitaksiyel oluşturmak için.

Süblimasyon epitaksisinin avantajları temel olarak iki açıdandır: 1. Epitaksi sıcaklığı yüksektir, bu da kristal kusurlarını azaltabilir; 2. Atomik düzeyde kazınmış bir yüzey elde etmek için aşındırılabilir. Ancak büyüme süreci sırasında reaksiyon kaynağının ayarlanamaması ve silikon-karbon oranının, zamanın, çeşitli reaksiyon dizilerinin vs. değiştirilememesi, büyüme sürecinin kontrol edilebilirliğinin azalmasına neden olur.

Şekil 3 3C-SiC epitaksiyi büyütmek için SE yönteminin şematik diyagramı

Moleküler ışın epitaksi (MBE), 4H-SiC veya 6H-SiC substratlar üzerinde 3C-SiC epitaksiyel katmanları büyütmek için uygun, gelişmiş bir ince film büyütme teknolojisidir. Bu yöntemin temel prensibi şudur: ultra yüksek vakumlu bir ortamda, kaynak gazın hassas kontrolü yoluyla, büyüyen epitaksiyel katmanın elemanları, yönlü bir atomik ışın veya moleküler ışın oluşturmak üzere ısıtılır ve ısıtılmış alt tabaka yüzeyine çarpar. epitaksiyel büyüme. 3C-SiC yetiştirmenin ortak koşullarıepitaksiyel katmanlar4H-SiC veya 6H-SiC substratlar üzerinde: silikon açısından zengin koşullar altında, grafen ve saf karbon kaynakları bir elektron tabancasıyla gaz halindeki maddelere dönüştürülür ve reaksiyon sıcaklığı olarak 1200-1350°C kullanılır. 3C-SiC heteroepitaksiyel büyüme, 0,01-0,1 nms-1 büyüme hızında elde edilebilir [13].

Sonuç ve Beklenti

Sürekli teknolojik ilerleme ve derinlemesine mekanizma araştırması sayesinde, 3C-SiC heteroepitaksiyel teknolojisinin yarı iletken endüstrisinde daha önemli bir rol oynaması ve yüksek verimli elektronik cihazların geliştirilmesini teşvik etmesi bekleniyor. Örneğin, düşük kusur yoğunluğunu korurken büyüme oranını artırmak için HCl atmosferinin dahil edilmesi gibi yeni büyüme teknikleri ve stratejilerini keşfetmeye devam etmek gelecekteki araştırmaların yönüdür; kusur oluşum mekanizması üzerine derinlemesine araştırma ve daha hassas kusur kontrolü elde etmek ve malzeme özelliklerini optimize etmek için fotolüminesans ve katodolüminesans analizi gibi daha gelişmiş karakterizasyon tekniklerinin geliştirilmesi; yüksek kaliteli kalın film 3C-SiC'nin hızlı büyümesi, yüksek voltajlı cihazların ihtiyaçlarını karşılamanın anahtarıdır ve büyüme hızı ile malzeme tekdüzeliği arasındaki dengenin üstesinden gelmek için daha fazla araştırmaya ihtiyaç vardır; 3C-SiC'nin SiC/GaN gibi heterojen yapılara uygulanmasıyla birlikte, güç elektroniği, optoelektronik entegrasyon ve kuantum bilgi işleme gibi yeni cihazlardaki potansiyel uygulamalarını araştırın.

Referanslar:

[1] Nishino S, Hazuki Y, Matsunami H,et al. Püskürtülmüş SiC Ara Katmanlı Silikon Substrat Üzerinde Tek Kristalli β-SiC Filmlerin Kimyasal Buhar Birikimi[J].Journal of The Electrochemical Society, 1980, 127(12):2674-2680.

[2] Ye Zhizhen, Wang Yadong, Huang Jingyun ve diğerleri. Silikon bazlı silisyum karbür ince filmlerin düşük sıcaklıkta büyümesi üzerine araştırma [J] Journal of Vacuum Science and Technology, 2002, 022(001):58-60. .

[3] An Xia, Zhuang Huizhao, Li Huaixiang, ve ark. (111) Si substratı üzerine magnetron püskürtme yoluyla nano-SiC ince filmlerin hazırlanması [J] Journal of Shandong Normal University: Natural Science Edition, 2001: 382-384. ..

[4] Seki K, Alexander, Kozawa S, et al. Çözelti büyümesinde aşırı doygunluk kontrolü ile SiC'nin politip seçici büyümesi[J]. Kristal Büyüme Dergisi, 2012, 360:176-180.

[5] Chen Yao, Zhao Fuqiang, Zhu Bingxian, He Shuai. Yurt içi ve yurt dışındaki silisyum karbür güç cihazlarının geliştirilmesine genel bakış [J]. Araç ve Güç Teknolojisi, 2020: 49-54.

[6] Li X, Wang G. Geliştirilmiş morfolojiye sahip 4H-SiC substratları üzerinde 3C-SiC katmanlarının CVD büyümesi[J].Solid State Communications, 2023:371.

[7] Hou Kaiwen. Si desenli substrat ve bunun 3C-SiC büyümesinde uygulanması üzerine araştırma [D] Xi'an Teknoloji Üniversitesi, 2018.

[8]Lars, Hiller, Thomas ve diğerleri. 3C-SiC(100) Mesa Yapılarının ECR-Aşındırılmasında Hidrojen Etkileri[J].Malzeme Bilimi Forumu, 2014.

[9] Xu Qingfang. Lazer kimyasal buhar biriktirme yoluyla 3C-SiC ince filmlerin hazırlanması [D]. Wuhan Teknoloji Üniversitesi, 2016.

[10] Foisal ARM , Nguyen T , Dinh TK ,et al.3C-SiC/Si Heteroyapı: Fotovoltaik Etkiye Dayalı Konuma Duyarlı Dedektörler için Mükemmel Bir Platform[J].ACS Uygulamalı Malzemeler ve Arayüzler, 2019: 40980-40987.

[11] Xin Bin. CVD sürecine dayalı 3C/4H-SiC heteroepitaksiyel büyüme: kusur karakterizasyonu ve evrimi [D]. Xi'an Elektronik Bilimi ve Teknolojisi Üniversitesi.

[12] Dong Lin. Geniş alanlı çok tabakalı epitaksiyel büyüme teknolojisi ve silisyum karbürün fiziksel özellik karakterizasyonu [D] Çin Bilimler Akademisi, 2014.

[13] Diani M, Simon L, Kubler L,et al. 6H-SiC(0001) substratı[J] üzerinde 3C-SiC politipinin kristal büyümesi. Kristal Büyüme Dergisi, 2002, 235(1):95-102.