Istoria dezvoltării 3C SiC

Ca formă importantă decarbură de siliciu, istoria dezvoltării3C-SiCreflectă progresul continuu al științei materialelor semiconductoare. În anii 1980, Nishino et al. a obținut mai întâi pelicule subțiri de 4um 3C-SiC pe substraturi de siliciu prin depunere chimică de vapori (CVD) [1], care a pus bazele tehnologiei filmului subțire 3C-SiC.

Anii 1990 au fost epoca de aur a cercetării SiC. Cree Research Inc. a lansat cipuri 6H-SiC și 4H-SiC în 1991 și, respectiv, 1994, promovând comercializareaDispozitive semiconductoare SiC. Progresul tehnologic din această perioadă a pus bazele cercetării și aplicării ulterioare a 3C-SiC.

La începutul secolului XXI,folii subțiri din SiC pe bază de siliciudezvoltate de asemenea într-o anumită măsură. Ye Zhizhen și colab. a preparat filme subțiri de SiC pe bază de siliciu prin CVD în condiții de temperatură scăzută în 2002 [2]. În 2001, An Xia și colab. a preparat pelicule subțiri de SiC pe bază de siliciu prin pulverizare cu magnetron la temperatura camerei [3].

Cu toate acestea, datorită diferenței mari dintre constanta rețelei Si și cea a SiC (aproximativ 20%), densitatea defectului stratului epitaxial 3C-SiC este relativ mare, în special defectul dublu, cum ar fi DPB. Pentru a reduce nepotrivirea rețelei, cercetătorii folosesc 6H-SiC, 15R-SiC sau 4H-SiC pe suprafața (0001) ca substrat pentru a crește stratul epitaxial 3C-SiC și a reduce densitatea defectelor. De exemplu, în 2012, Seki, Kazuaki et al. a propus tehnologia de control dinamic al epitaxiei polimorfe, care realizează creșterea selectivă polimorfă a 3C-SiC și 6H-SiC pe sămânța de suprafață 6H-SiC (0001) prin controlul suprasaturației [4-5]. În 2023, cercetători precum Xun Li au folosit metoda CVD pentru a optimiza creșterea și procesul și au obținut cu succes un 3C-SiC netedstratul epitaxialfără defecte DPB la suprafață pe un substrat 4H-SiC la o rată de creștere de 14um/h[6].

Structura cristalină și domeniile de aplicare ale 3C SiC

Printre multe politipuri SiCD, 3C-SiC este singurul politip cubic, cunoscut și sub numele de β-SiC. În această structură cristalină, atomii de Si și C există într-un raport unu-la-unu în rețea și fiecare atom este înconjurat de patru atomi eterogene, formând o unitate structurală tetraedrică cu legături covalente puternice. Caracteristica structurală a 3C-SiC este că straturile diatomice Si-C sunt aranjate în mod repetat în ordinea ABC-ABC-..., iar fiecare celulă unitate conține trei astfel de straturi diatomice, care se numește reprezentare C3; structura cristalină a 3C-SiC este prezentată în figura de mai jos:

Figura 1 Structura cristalină a 3C-SiC

În prezent, siliciul (Si) este cel mai frecvent utilizat material semiconductor pentru dispozitivele de putere. Cu toate acestea, datorită performanței Si, dispozitivele de alimentare pe bază de siliciu sunt limitate. În comparație cu 4H-SiC și 6H-SiC, 3C-SiC are cea mai mare mobilitate teoretică a electronilor la temperatura camerei (1000 cm·V-1·S-1) și are mai multe avantaje în aplicațiile dispozitivelor MOS. În același timp, 3C-SiC are, de asemenea, proprietăți excelente, cum ar fi tensiune mare de rupere, conductivitate termică bună, duritate mare, bandgap mare, rezistență la temperatură ridicată și rezistență la radiații. Prin urmare, are un mare potențial în electronică, optoelectronică, senzori și aplicații în condiții extreme, promovând dezvoltarea și inovarea tehnologiilor conexe și prezentând un potențial larg de aplicare în multe domenii:

În primul rând: în special în medii de înaltă tensiune, frecvență înaltă și temperatură înaltă, tensiunea mare de rupere și mobilitatea mare a electronilor 3C-SiC îl fac o alegere ideală pentru fabricarea dispozitivelor de putere, cum ar fi MOSFET [7]. În al doilea rând: Aplicarea 3C-SiC în sistemele nanoelectronice și microelectromecanice (MEMS) beneficiază de compatibilitatea sa cu tehnologia siliciului, permițând fabricarea de structuri la scară nanometrică precum nanoelectronica și dispozitivele nanoelectromecanice [8]. În al treilea rând: Ca material semiconductor cu bandă interzisă largă, 3C-SiC este potrivit pentru fabricareadiode emițătoare de lumină albastră(LED-uri). Aplicarea sa în iluminat, tehnologie de afișare și lasere a atras atenția datorită eficienței sale luminoase ridicate și a dopajului ușor [9]. În al patrulea rând: În același timp, 3C-SiC este utilizat pentru a produce detectoare sensibile la poziție, în special detectoare sensibile la poziție de punct laser bazate pe efectul fotovoltaic lateral, care prezintă o sensibilitate ridicată în condiții de polarizare zero și sunt potrivite pentru poziționare precisă [10] .

3. Metoda de preparare a heteroepitaxiei 3C SiC

Principalele metode de creștere ale heteroepitaxiei 3C-SiC includdepunere chimică de vapori (CVD), epitaxie prin sublimare (SE), epitaxie în fază lichidă (LPE), epitaxie cu fascicul molecular (MBE), pulverizare cu magnetron etc. CVD este metoda preferată pentru epitaxia 3C-SiC datorită controlabilității și adaptabilității sale (cum ar fi temperatura, fluxul de gaz, presiunea în cameră și timpul de reacție, care poate optimiza calitatea stratul epitaxial).

Depunerea chimică în vapori (CVD): Un gaz compus care conține elemente Si și C este trecut în camera de reacție, încălzit și descompus la temperatură ridicată, iar apoi atomii de Si și atomii de C sunt precipitați pe substratul de Si, sau 6H-SiC, 15R- SiC, substrat 4H-SiC [11]. Temperatura acestei reacții este de obicei între 1300-1500℃. Sursele comune de Si includ SiH4, TCS, MTS etc., iar sursele de C includ în principal C2H4, C3H8 etc., cu H2 ca gaz purtător. Procesul de creștere include în principal următoarele etape: 1. Sursa de reacție în fază gazoasă este transportată în zona de depunere în fluxul principal de gaz. 2. Reacția în fază gazoasă are loc în stratul limită pentru a genera precursori de peliculă subțire și produse secundare. 3. Procesul de precipitare, adsorbție și cracare a precursorului. 4. Atomii adsorbiți migrează și se reconstruiesc pe suprafața substratului. 5. Atomii adsorbiți se nucleează și cresc pe suprafața substratului. 6. Transportul de masă al gazului rezidual după reacție în zona principală de curgere a gazului și este scos din camera de reacție. Figura 2 este o diagramă schematică a CVD [12].

Figura 2 Diagrama schematică a CVD

Metoda epitaxiei sublimării (SE): Figura 3 este o diagramă de structură experimentală a metodei SE pentru prepararea 3C-SiC. Etapele principale sunt descompunerea și sublimarea sursei de SiC în zona de temperatură înaltă, transportul sublimatelor și reacția și cristalizarea sublimelor pe suprafața substratului la o temperatură mai scăzută. Detaliile sunt următoarele: substratul 6H-SiC sau 4H-SiC este plasat pe partea superioară a creuzetului șipulbere de SiC de înaltă puritateeste folosit ca materie primă SiC și plasat în partea de jos acreuzet de grafit. Crezetul este încălzit la 1900-2100 ℃ prin inducție cu frecvență radio, iar temperatura substratului este controlată să fie mai mică decât sursa de SiC, formând un gradient de temperatură axial în interiorul creuzetului, astfel încât materialul SiC sublimat să se poată condensa și cristaliza pe substrat. pentru a forma 3C-SiC heteroepitaxial.

Avantajele epitaxiei prin sublimare sunt în principal în două aspecte: 1. Temperatura epitaxiei este ridicată, ceea ce poate reduce defectele cristalului; 2. Poate fi gravat pentru a obține o suprafață gravată la nivel atomic. Cu toate acestea, în timpul procesului de creștere, sursa de reacție nu poate fi ajustată, iar raportul siliciu-carbon, timpul, diferitele secvențe de reacție etc. nu pot fi modificate, rezultând o scădere a controlabilității procesului de creștere.

Figura 3 Diagrama schematică a metodei SE pentru creșterea epitaxiei 3C-SiC

Epitaxia cu fascicul molecular (MBE) este o tehnologie avansată de creștere a filmului subțire, care este potrivită pentru creșterea straturilor epitaxiale 3C-SiC pe substraturi 4H-SiC sau 6H-SiC. Principiul de bază al acestei metode este: într-un mediu de vid ultra-înalt, printr-un control precis al gazului sursă, elementele stratului epitaxial în creștere sunt încălzite pentru a forma un fascicul atomic direcțional sau un fascicul molecular și incidente pe suprafața substratului încălzit pt. crestere epitaxiala. Condițiile comune pentru creșterea 3C-SiCstraturi epitaxialepe substraturi 4H-SiC sau 6H-SiC sunt: ​​în condiții bogate în siliciu, grafenul și sursele de carbon pur sunt excitate în substanțe gazoase cu un tun de electroni, iar 1200-1350℃ este folosită ca temperatură de reacție. Creșterea heteroepitaxială 3C-SiC poate fi obținută la o rată de creștere de 0,01-0,1 nms-1 [13].

Concluzie și Perspectivă

Prin progresul tehnologic continuu și cercetarea aprofundată a mecanismelor, tehnologia heteroepitaxială 3C-SiC este de așteptat să joace un rol mai important în industria semiconductoarelor și să promoveze dezvoltarea dispozitivelor electronice de înaltă eficiență. De exemplu, continuarea explorării de noi tehnici și strategii de creștere, cum ar fi introducerea atmosferei de HCI pentru a crește rata de creștere, menținând în același timp o densitate scăzută a defectelor, este direcția cercetărilor viitoare; cercetare aprofundată asupra mecanismului de formare a defectelor și dezvoltarea unor tehnici de caracterizare mai avansate, cum ar fi analiza fotoluminiscenței și catodoluminiscenței, pentru a obține un control mai precis al defectelor și a optimiza proprietățile materialului; creșterea rapidă a filmului gros de înaltă calitate 3C-SiC este cheia pentru satisfacerea nevoilor dispozitivelor de înaltă tensiune și sunt necesare cercetări suplimentare pentru a depăși echilibrul dintre rata de creștere și uniformitatea materialului; combinat cu aplicarea 3C-SiC în structuri eterogene, cum ar fi SiC/GaN, explorează aplicațiile sale potențiale în dispozitive noi, cum ar fi electronica de putere, integrarea optoelectronică și procesarea informațiilor cuantice.

Referinte:

[1] Nishino S , Hazuki Y , Matsunami H ,et al. Depunerea chimică în vapori a filmelor β-SiC cristaline unice pe substrat de siliciu cu strat intermediar de SiC pulverizat [J]. Journal of The Electrochemical Society, 1980, 127(12):2674-2680.

[2] Ye Zhizhen, Wang Yadong, Huang Jingyun, și colab. Cercetări privind creșterea la temperatură scăzută a filmelor subțiri de carbură de siliciu [J Journal of Vacuum Science and Technology, 2002, 022(001):58-60]. .

[3] An Xia, Zhuang Huizhao, Li Huaixiang, și colab. Prepararea filmelor subțiri nano-SiC prin pulverizare cu magnetron pe (111) substrat Si [J Journal of Shandong Normal University: Natural Science Edition, 2001: 384]. ..

[4] Seki K, Alexander, Kozawa S, et al. Creșterea politip-selectivă a SiC prin controlul suprasaturației în creșterea soluției[J]. Journal of Crystal Growth, 2012, 360:176-180.

[5] Chen Yao, Zhao Fuqiang, Zhu Bingxian, He Shuai.

[6] Li X , Wang G .CVD creștere a straturilor 3C-SiC pe substraturi 4H-SiC cu morfologie îmbunătățită[J].Solid State Communications, 2023:371.

[7] Cercetare Hou Kaiwen asupra substratului cu model Si și aplicarea acestuia în creșterea 3C-SiC [D Xi'an University of Technology, 2018].

[8]Lars, Hiller, Thomas și colab. Efectele hidrogenului în ECR-Etching of 3C-SiC(100) Mesa Structures[J].Materials Science Forum, 2014.

[9] Xu Qingfang Pregătirea filmelor subțiri 3C-SiC prin depunere de vapori chimici cu laser [D Wuhan University of Technology, 2016].

[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: 40980-40987.

[11] Creșterea heteroepitaxială Xin Bin 3C/4H-SiC pe baza procesului CVD: caracterizarea și evoluția defectelor [D].

[12] Dong Lin Tehnologia de creștere epitaxială cu mai multe plachete și caracterizarea proprietăților fizice a carburii de siliciu [D], 2014.

[13] Diani M , Simon L , Kubler L ,et al. Creșterea cristalină a politipului 3C-SiC pe substrat 6H-SiC(0001) [J]. Journal of Crystal Growth, 2002, 235(1):95-102.