Utviklingshistorien til 3C SiC

Som en viktig form forsilisiumkarbid, utviklingshistorien til3C-SiCreflekterer den kontinuerlige fremgangen innen halvledermaterialvitenskap. På 1980-tallet, Nishino et al. oppnådde først 4um 3C-SiC tynnfilmer på silisiumsubstrater ved kjemisk dampavsetning (CVD) [1], som la grunnlaget for 3C-SiC tynnfilmteknologi.

1990-tallet var gullalderen for SiC-forskning. Cree Research Inc. lanserte 6H-SiC- og 4H-SiC-brikker i henholdsvis 1991 og 1994, og fremmet kommersialiseringen avSiC halvlederenheter. Den teknologiske fremgangen i denne perioden la grunnlaget for den påfølgende forskningen og anvendelsen av 3C-SiC.

På begynnelsen av det 21. århundre,innenlands silisiumbaserte SiC tynne filmerogså utviklet seg til en viss grad. Ye Zhizhen et al. utarbeidet silisiumbaserte SiC-tynne filmer av CVD under lave temperaturforhold i 2002 [2]. I 2001, An Xia et al. forberedt silisiumbaserte SiC tynne filmer ved magnetronsputtering ved romtemperatur [3].

På grunn av den store forskjellen mellom gitterkonstanten til Si og SiC (omtrent 20%), er defekttettheten til 3C-SiC epitaksiallag relativt høy, spesielt tvillingdefekten som DPB. For å redusere gittermismatchen bruker forskere 6H-SiC, 15R-SiC eller 4H-SiC på (0001) overflaten som substrat for å dyrke 3C-SiC epitaksialt lag og redusere defekttettheten. For eksempel, i 2012, Seki, Kazuaki et al. foreslått den dynamiske polymorfe epitaksikontrollteknologien, som realiserer den polymorfe selektive veksten av 3C-SiC og 6H-SiC på 6H-SiC (0001) overflatefrø ved å kontrollere overmetningen [4-5]. I 2023 brukte forskere som Xun Li CVD-metoden for å optimalisere veksten og prosessen, og oppnådde vellykket en jevn 3C-SiCepitaksialt laguten DPB-defekter på overflaten på et 4H-SiC-substrat ved en veksthastighet på 14um/t[6].

Krystallstruktur og bruksområder for 3C SiC

Blant mange SiCD-polytyper er 3C-SiC den eneste kubiske polytypen, også kjent som β-SiC. I denne krystallstrukturen eksisterer Si- og C-atomer i et en-til-en-forhold i gitteret, og hvert atom er omgitt av fire heterogene atomer, og danner en tetraedrisk strukturell enhet med sterke kovalente bindinger. Det strukturelle trekk ved 3C-SiC er at Si-C diatomiske lag gjentatte ganger er ordnet i rekkefølgen ABC-ABC-..., og hver enhetscelle inneholder tre slike diatomiske lag, som kalles C3-representasjon; krystallstrukturen til 3C-SiC er vist i figuren nedenfor:

Figur 1 Krystallstruktur av 3C-SiC

For tiden er silisium (Si) det mest brukte halvledermaterialet for kraftenheter. På grunn av ytelsen til Si er imidlertid silisiumbaserte kraftenheter begrenset. Sammenlignet med 4H-SiC og 6H-SiC, har 3C-SiC den høyeste teoretiske elektronmobiliteten ved romtemperatur (1000 cm·V-1·S-1), og har flere fordeler i MOS-enhetsapplikasjoner. Samtidig har 3C-SiC også utmerkede egenskaper som høy nedbrytningsspenning, god varmeledningsevne, høy hardhet, stort båndgap, høy temperaturmotstand og strålingsmotstand. Derfor har den et stort potensial innen elektronikk, optoelektronikk, sensorer og applikasjoner under ekstreme forhold, og fremmer utvikling og innovasjon av relaterte teknologier, og viser et bredt anvendelsespotensial på mange felt:

For det første: Spesielt i miljøer med høy spenning, høy frekvens og høye temperaturer, gjør den høye nedbrytningsspenningen og høye elektronmobiliteten til 3C-SiC det til et ideelt valg for produksjon av kraftenheter som MOSFET [7]. For det andre: Anvendelsen av 3C-SiC i nanoelektronikk og mikroelektromekaniske systemer (MEMS) drar nytte av dens kompatibilitet med silisiumteknologi, som tillater produksjon av nanoskalastrukturer som nanoelektronikk og nanoelektromekaniske enheter [8]. For det tredje: Som et halvledermateriale med bred båndgap er 3C-SiC egnet for produksjon avblå lysdioder(LED). Dens anvendelse innen belysning, skjermteknologi og lasere har vakt oppmerksomhet på grunn av sin høye lyseffektivitet og enkle doping [9]. For det fjerde: Samtidig brukes 3C-SiC til å produsere posisjonsfølsomme detektorer, spesielt laserpunktposisjonsfølsomme detektorer basert på den laterale fotovoltaiske effekten, som viser høy følsomhet under null forspenningsforhold og er egnet for presis posisjonering [10] .

3. Fremstillingsmetode for 3C SiC heteroepitaxy

De viktigste vekstmetodene for 3C-SiC heteroepitaxy inkludererkjemisk dampavsetning (CVD), sublimasjonsepitaksi (SE), flytende fase epitaksi (LPE), molekylær stråleepitaksi (MBE), magnetronsputtering, etc. CVD er den foretrukne metoden for 3C-SiC epitaksi på grunn av dens kontrollerbarhet og tilpasningsevne (som temperatur, gassstrøm, kammertrykk og reaksjonstid, som kan optimere kvaliteten på epitaksialt lag).

Kjemisk dampavsetning (CVD): En sammensatt gass som inneholder Si- og C-elementer føres inn i reaksjonskammeret, varmes opp og dekomponeres ved høy temperatur, og deretter blir Si-atomer og C-atomer utfelt på Si-substratet, eller 6H-SiC, 15R- SiC, 4H-SiC-substrat [11]. Temperaturen på denne reaksjonen er vanligvis mellom 1300-1500 ℃. Vanlige Si-kilder inkluderer SiH4, TCS, MTS, etc., og C-kilder inkluderer hovedsakelig C2H4, C3H8, etc., med H2 som bærergass. Vekstprosessen omfatter i hovedsak følgende trinn: 1. Gassfasereaksjonskilden transporteres til avsetningssonen i hovedgassstrømmen. 2. Gassfasereaksjon skjer i grenselaget for å generere tynnfilm-forløpere og biprodukter. 3. Utfellings-, adsorpsjons- og krakkingsprosessen til forløperen. 4. De adsorberte atomene migrerer og rekonstruerer på substratoverflaten. 5. De adsorberte atomene kjernener seg og vokser på substratoverflaten. 6. Massetransporten av avgassen etter reaksjonen inn i hovedgassstrømsonen og tas ut av reaksjonskammeret. Figur 2 er et skjematisk diagram av CVD [12].

Figur 2 Skjematisk diagram av CVD

Sublimeringsepitaksi (SE) metode: Figur 3 er et eksperimentelt strukturdiagram av SE-metoden for fremstilling av 3C-SiC. Hovedtrinnene er dekomponering og sublimering av SiC-kilden i høytemperatursonen, transport av sublimatene og reaksjonen og krystalliseringen av sublimatene på substratoverflaten ved en lavere temperatur. Detaljene er som følger: 6H-SiC- eller 4H-SiC-substrat plasseres på toppen av digelen, oghøyrent SiC-pulverbrukes som SiC-råvare og plasseres i bunnen avgrafittdigel. Digelen varmes opp til 1900-2100 ℃ ved radiofrekvensinduksjon, og substrattemperaturen kontrolleres til å være lavere enn SiC-kilden, og danner en aksial temperaturgradient inne i digelen, slik at det sublimerte SiC-materialet kan kondensere og krystallisere på substratet å danne 3C-SiC heteroepitaksial.

Fordelene med sublimeringsepitaksi er hovedsakelig i to aspekter: 1. Epitaksitemperaturen er høy, noe som kan redusere krystalldefekter; 2. Den kan etses for å oppnå en etset overflate på atomnivå. Imidlertid kan reaksjonskilden ikke justeres under vekstprosessen, og silisium-karbonforholdet, tiden, ulike reaksjonssekvenser osv. kan ikke endres, noe som resulterer i en reduksjon i kontrollerbarheten av vekstprosessen.

Figur 3. Skjematisk diagram av SE-metoden for dyrking av 3C-SiC-epitaksi

Molecular beam epitaxy (MBE) er en avansert tynnfilmvekstteknologi, som er egnet for dyrking av 3C-SiC epitaksiale lag på 4H-SiC eller 6H-SiC substrater. Grunnprinsippet for denne metoden er: i et miljø med ultrahøyt vakuum, gjennom nøyaktig kontroll av kildegassen, blir elementene i det voksende epitaksiale laget varmet opp for å danne en retningsbestemt atomstråle eller molekylstråle og falle inn på den oppvarmede substratoverflaten for epitaksial vekst. De vanlige betingelsene for dyrking av 3C-SiCepitaksiale lagpå 4H-SiC- eller 6H-SiC-substrater er: under silisiumrike forhold, eksiteres grafen og rene karbonkilder til gassformige stoffer med en elektronkanon, og 1200-1350 ℃ brukes som reaksjonstemperatur. 3C-SiC heteroepitaksial vekst kan oppnås ved en veksthastighet på 0,01-0,1 nms-1 [13].

Konklusjon og prospekt

Gjennom kontinuerlig teknologisk fremgang og dyptgående mekanismeforskning forventes 3C-SiC heteroepitaksial teknologi å spille en viktigere rolle i halvlederindustrien og fremme utviklingen av høyeffektive elektroniske enheter. For eksempel er det å fortsette å utforske nye vekstteknikker og strategier, som å introdusere HCl-atmosfære for å øke veksthastigheten og samtidig opprettholde lav defekttetthet, retningen for fremtidig forskning; dyptgående forskning på defektdannelsesmekanismen, og utvikling av mer avanserte karakteriseringsteknikker, som fotoluminescens og katodoluminescensanalyse, for å oppnå mer presis defektkontroll og optimalisere materialegenskaper; rask vekst av høykvalitets tykk film 3C-SiC er nøkkelen til å møte behovene til høyspenningsenheter, og ytterligere forskning er nødvendig for å overvinne balansen mellom veksthastighet og materialensartethet; kombinert med bruken av 3C-SiC i heterogene strukturer som SiC/GaN, utforske dens potensielle anvendelser i nye enheter som kraftelektronikk, optoelektronisk integrasjon og kvanteinformasjonsbehandling.

Referanser:

[1] Nishino S, Hazuki Y, Matsunami H, et al. Kjemisk dampavsetning av enkeltkrystallinske β-SiC-filmer på silisiumsubstrat med sputtered SiC-mellomlag[J]. Journal of The Electrochemical Society, 1980, 127(12):2674-2680.

[2] Ye Zhizhen, Wang Yadong, Huang Jingyun, et al. Forskning på lavtemperaturvekst av tynne silisiumkarbidfilmer [J] Journal of Vacuum Science and Technology, 2002, 022(001):58-60. .

[3] An Xia, Zhuang Huizhao, Li Huaixiang, et al. Fremstilling av tynne nano-SiC-filmer ved magnetronsputtering på (111) Si-substrat [J] Journal of Shandong Normal University: Natural Science Edition, 2001: 382-384 ..

[4] Seki K, Alexander, Kozawa S, et al. Polytype-selektiv vekst av SiC ved overmetningskontroll i løsningsvekst [J]. Journal of Crystal Growth, 2012, 360:176-180.

[5] Chen Yao, Zhao Fuqiang, Zhu Bingxian, He Shuai Oversikt over utviklingen av silisiumkarbidkraftenheter i inn- og utland [J] Vehicle and Power Technology, 2020: 49-54.

[6] Li X , Wang G .CVD-vekst av 3C-SiC-lag på 4H-SiC-substrater med forbedret morfologi[J].Solid State Communications, 2023:371.

[7] Hou Kaiwen Forskning på Si-mønstret substrat og dets anvendelse i 3C-SiC-vekst [D] Xi'an University of Technology, 2018.

[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 Forberedelse av 3C-SiC tynne filmer ved laserkjemisk dampavsetning [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] Xin Bin 3C/4H-SiC heteroepitaksial vekst basert på CVD-prosess: defektkarakterisering og evolusjon [D].

[12] Dong Lin Epitaksial vekstteknologi med stort område og fysisk egenskapskarakterisering av silisiumkarbid [D] University of Chinese Academy of Sciences, 2014.

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