Sejarah Perkembangan 3C SiC

Sebagai bentuk pentingsilikon karbida, sejarah perkembangan3C-SiCmencerminkan kemajuan berterusan sains bahan semikonduktor. Pada tahun 1980-an, Nishino et al. pertama memperoleh filem nipis 4um 3C-SiC pada substrat silikon melalui pemendapan wap kimia (CVD) [1], yang meletakkan asas bagi teknologi filem nipis 3C-SiC.

Tahun 1990-an adalah zaman kegemilangan penyelidikan SiC. Cree Research Inc. melancarkan cip 6H-SiC dan 4H-SiC masing-masing pada tahun 1991 dan 1994, mempromosikan pengkomersilanPeranti semikonduktor SiC. Kemajuan teknologi dalam tempoh ini meletakkan asas untuk penyelidikan dan aplikasi 3C-SiC seterusnya.

Pada awal abad ke-21,filem nipis SiC berasaskan silikon domestikjuga berkembang pada tahap tertentu. Ye Zhizhen et al. menyediakan filem nipis SiC berasaskan silikon oleh CVD di bawah keadaan suhu rendah pada tahun 2002 [2]. Pada tahun 2001, An Xia et al. menyediakan filem nipis SiC berasaskan silikon oleh magnetron sputtering pada suhu bilik [3].

Walau bagaimanapun, disebabkan perbezaan besar antara pemalar kekisi Si dan SiC (kira-kira 20%), ketumpatan kecacatan lapisan epitaxial 3C-SiC adalah agak tinggi, terutamanya kecacatan berkembar seperti DPB. Untuk mengurangkan ketidakpadanan kekisi, penyelidik menggunakan 6H-SiC, 15R-SiC atau 4H-SiC pada permukaan (0001) sebagai substrat untuk mengembangkan lapisan epitaxial 3C-SiC dan mengurangkan ketumpatan kecacatan. Sebagai contoh, pada tahun 2012, Seki, Kazuaki et al. mencadangkan teknologi kawalan epitaksi polimorfik dinamik, yang merealisasikan pertumbuhan terpilih polimorfik 3C-SiC dan 6H-SiC pada benih permukaan 6H-SiC (0001) dengan mengawal supersaturasi [4-5]. Pada tahun 2023, penyelidik seperti Xun Li menggunakan kaedah CVD untuk mengoptimumkan pertumbuhan dan proses, dan berjaya memperoleh 3C-SiC yang lancarlapisan epitaxialtanpa kecacatan DPB pada permukaan pada substrat 4H-SiC pada kadar pertumbuhan 14um/j[6].

Bidang Struktur dan Aplikasi Kristal 3C SiC

Di antara banyak politaip SiCD, 3C-SiC ialah satu-satunya politaip padu, juga dikenali sebagai β-SiC. Dalam struktur kristal ini, atom Si dan C wujud dalam nisbah satu kepada satu dalam kekisi, dan setiap atom dikelilingi oleh empat atom heterogen, membentuk unit struktur tetrahedral dengan ikatan kovalen yang kuat. Ciri struktur 3C-SiC ialah lapisan diatomik Si-C berulang kali disusun mengikut urutan ABC-ABC-…, dan setiap sel unit mengandungi tiga lapisan diatomik sedemikian, yang dipanggil perwakilan C3; struktur hablur 3C-SiC ditunjukkan dalam rajah di bawah:

Rajah 1 Struktur kristal 3C-SiC

Pada masa ini, silikon (Si) adalah bahan semikonduktor yang paling biasa digunakan untuk peranti kuasa. Walau bagaimanapun, disebabkan oleh prestasi Si, peranti kuasa berasaskan silikon adalah terhad. Berbanding dengan 4H-SiC dan 6H-SiC, 3C-SiC mempunyai mobiliti elektron teori suhu bilik tertinggi (1000 cm·V-1·S-1), dan mempunyai lebih banyak kelebihan dalam aplikasi peranti MOS. Pada masa yang sama, 3C-SiC juga mempunyai sifat yang sangat baik seperti voltan pecahan tinggi, kekonduksian terma yang baik, kekerasan tinggi, jurang jalur lebar, rintangan suhu tinggi dan rintangan sinaran. Oleh itu, ia mempunyai potensi besar dalam elektronik, optoelektronik, penderia dan aplikasi dalam keadaan yang melampau, menggalakkan pembangunan dan inovasi teknologi berkaitan, dan menunjukkan potensi aplikasi yang luas dalam banyak bidang:

Pertama: Terutama dalam persekitaran voltan tinggi, frekuensi tinggi dan suhu tinggi, voltan pecahan tinggi dan mobiliti elektron tinggi 3C-SiC menjadikannya pilihan ideal untuk peranti kuasa pembuatan seperti MOSFET [7]. Kedua: Aplikasi 3C-SiC dalam sistem nanoelektronik dan mikroelektromekanikal (MEMS) mendapat manfaat daripada keserasiannya dengan teknologi silikon, membolehkan pembuatan struktur skala nano seperti nanoelektronik dan peranti nanoelektromekanikal [8]. Ketiga: Sebagai bahan semikonduktor celah jalur lebar, 3C-SiC sesuai untuk pembuatandiod pemancar cahaya biru(LED). Aplikasinya dalam pencahayaan, teknologi paparan dan laser telah menarik perhatian kerana kecekapan bercahaya yang tinggi dan doping yang mudah [9]. Keempat: Pada masa yang sama, 3C-SiC digunakan untuk mengeluarkan pengesan sensitif kedudukan, terutamanya pengesan sensitif kedudukan titik laser berdasarkan kesan fotovoltaik sisi, yang menunjukkan kepekaan tinggi di bawah keadaan pincang sifar dan sesuai untuk kedudukan yang tepat [10] .

3. Kaedah penyediaan heteroepitaksi 3C SiC

Kaedah pertumbuhan utama 3C-SiC heteroepitaxy termasukpemendapan wap kimia (CVD), epitaksi sublimasi (SE), epitaksi fasa cecair (LPE), epitaksi rasuk molekul (MBE), magnetron sputtering, dll. CVD ialah kaedah pilihan untuk epitaksi 3C-SiC kerana kebolehkawalan dan kebolehsuaiannya (seperti suhu, aliran gas, tekanan ruang dan masa tindak balas, yang boleh mengoptimumkan kualiti lapisan epitaxial).

Pemendapan wap kimia (CVD): Gas sebatian yang mengandungi unsur Si dan C disalurkan ke dalam ruang tindak balas, dipanaskan dan terurai pada suhu tinggi, dan kemudian atom Si dan atom C dimendakkan ke substrat Si, atau 6H-SiC, 15R- Substrat SiC, 4H-SiC [11]. Suhu tindak balas ini biasanya antara 1300-1500 ℃. Sumber Si biasa termasuk SiH4, TCS, MTS, dsb., dan sumber C terutamanya termasuk C2H4, C3H8, dsb., dengan H2 sebagai gas pembawa. Proses pertumbuhan terutamanya merangkumi langkah-langkah berikut: 1. Sumber tindak balas fasa gas diangkut ke zon pemendapan dalam aliran gas utama. 2. Tindak balas fasa gas berlaku dalam lapisan sempadan untuk menghasilkan prekursor filem nipis dan hasil sampingan. 3. Proses pemendakan, penjerapan dan keretakan prekursor. 4. Atom terjerap berhijrah dan membina semula pada permukaan substrat. 5. Atom terjerap menukleus dan tumbuh pada permukaan substrat. 6. Pengangkutan jisim gas buangan selepas tindak balas ke dalam zon aliran gas utama dan dibawa keluar dari kebuk tindak balas. Rajah 2 ialah gambarajah skematik CVD [12].

Rajah 2 Diagram skematik CVD

Kaedah epitaksi pemejalwapan (SE): Rajah 3 ialah gambar rajah struktur eksperimen bagi kaedah SE untuk menyediakan 3C-SiC. Langkah-langkah utama ialah penguraian dan pemejalwapan sumber SiC dalam zon suhu tinggi, pengangkutan sublimat, dan tindak balas dan penghabluran sublimat pada permukaan substrat pada suhu yang lebih rendah. Butirannya adalah seperti berikut: Substrat 6H-SiC atau 4H-SiC diletakkan di bahagian atas mangkuk pijar, danserbuk SiC ketulenan tinggidigunakan sebagai bahan mentah SiC dan diletakkan di bahagian bawahpijar grafit. Pisau dipanaskan hingga 1900-2100 ℃ oleh aruhan frekuensi radio, dan suhu substrat dikawal agar lebih rendah daripada sumber SiC, membentuk kecerunan suhu paksi di dalam pijar, supaya bahan SiC yang disublimasikan boleh memeluwap dan menghablur pada substrat membentuk 3C-SiC heteroepitaxial.

Kelebihan epitaksi sublimasi adalah terutamanya dalam dua aspek: 1. Suhu epitaksi adalah tinggi, yang boleh mengurangkan kecacatan kristal; 2. Ia boleh terukir untuk mendapatkan permukaan terukir pada tahap atom. Walau bagaimanapun, semasa proses pertumbuhan, sumber tindak balas tidak boleh diselaraskan, dan nisbah silikon-karbon, masa, pelbagai jujukan tindak balas, dan lain-lain tidak boleh diubah, mengakibatkan penurunan kebolehkawalan proses pertumbuhan.

Rajah 3 Diagram skematik kaedah SE untuk mengembangkan epitaksi 3C-SiC

Molecular beam epitaxy (MBE) ialah teknologi pertumbuhan filem nipis termaju, yang sesuai untuk mengembangkan lapisan epitaxial 3C-SiC pada substrat 4H-SiC atau 6H-SiC. Prinsip asas kaedah ini ialah: dalam persekitaran vakum ultra-tinggi, melalui kawalan tepat gas sumber, unsur-unsur lapisan epitaxial yang semakin meningkat dipanaskan untuk membentuk rasuk atom berarah atau rasuk molekul dan kejadian pada permukaan substrat yang dipanaskan untuk pertumbuhan epitaxial. Keadaan biasa untuk mengembangkan 3C-SiClapisan epitaxialpada substrat 4H-SiC atau 6H-SiC ialah: dalam keadaan yang kaya dengan silikon, graphene dan sumber karbon tulen diuja menjadi bahan gas dengan senapang elektron, dan 1200-1350℃ digunakan sebagai suhu tindak balas. Pertumbuhan heteroepitaxial 3C-SiC boleh diperolehi pada kadar pertumbuhan 0.01-0.1 nms-1 [13].

Kesimpulan dan Prospek

Melalui kemajuan teknologi yang berterusan dan penyelidikan mekanisme yang mendalam, teknologi heteroepitaxial 3C-SiC dijangka memainkan peranan yang lebih penting dalam industri semikonduktor dan menggalakkan pembangunan peranti elektronik berkecekapan tinggi. Sebagai contoh, meneruskan penerokaan teknik dan strategi pertumbuhan baharu, seperti memperkenalkan suasana HCl untuk meningkatkan kadar pertumbuhan sambil mengekalkan ketumpatan kecacatan yang rendah, adalah hala tuju penyelidikan masa depan; penyelidikan mendalam mengenai mekanisme pembentukan kecacatan, dan pembangunan teknik pencirian yang lebih maju, seperti analisis photoluminescence dan cathodoluminescence, untuk mencapai kawalan kecacatan yang lebih tepat dan mengoptimumkan sifat bahan; pertumbuhan pesat filem tebal berkualiti tinggi 3C-SiC adalah kunci untuk memenuhi keperluan peranti voltan tinggi, dan penyelidikan lanjut diperlukan untuk mengatasi keseimbangan antara kadar pertumbuhan dan keseragaman bahan; digabungkan dengan aplikasi 3C-SiC dalam struktur heterogen seperti SiC/GaN, meneroka potensi aplikasinya dalam peranti baharu seperti elektronik kuasa, integrasi optoelektronik dan pemprosesan maklumat kuantum.

Rujukan:

[1] Nishino S , Hazuki Y , Matsunami H ,et al. Pemendapan Wap Kimia bagi Filem β‐SiC Kristal Tunggal pada Substrat Silikon dengan Lapisan Perantaraan SiC Sputtered[J].Jurnal Persatuan Elektrokimia, 1980, 127(12):2674-2680.

[2] Ye Zhizhen, Wang Yadong, Huang Jingyun, et al Penyelidikan mengenai pertumbuhan suhu rendah filem nipis silikon karbida [J]. .

[3] An Xia, Zhuang Huizhao, Li Huaixiang, et al Penyediaan filem nipis nano-SiC oleh magnetron sputtering pada (111) substrat Si [J]. ..

[4] Seki K, Alexander, Kozawa S, et al. Pertumbuhan politaip-selektif SiC dengan kawalan supersaturasi dalam pertumbuhan larutan[J]. Jurnal Pertumbuhan Kristal, 2012, 360:176-180.

[5] Chen Yao, Zhao Fuqiang, Zhu Bingxian, He Shuai Gambaran keseluruhan pembangunan peranti kuasa silikon karbida di dalam dan luar negara [J].

[6] Li X , Wang G .Pertumbuhan CVD lapisan 3C-SiC pada substrat 4H-SiC dengan morfologi yang dipertingkatkan[J].Solid State Communications, 2023:371.

[7] Hou Kaiwen Penyelidikan tentang substrat bercorak Si dan aplikasinya dalam pertumbuhan 3C-SiC [D].

[8]Lars, Hiller, Thomas, et al. Kesan Hidrogen dalam ECR-Etching of 3C-SiC(100) Mesa Structures[J].Forum Sains Bahan, 2014.

[9] Xu Qingfang Penyediaan filem nipis 3C-SiC oleh pemendapan wap kimia laser [D].

[10] Foisal A R M , Nguyen T , Dinh T K ,et al.3C-SiC/Si Heterostructure: Platform Cemerlang untuk Pengesan Sensitif Kedudukan Berdasarkan Kesan Photovoltaic[J].ACS Applied Materials & Interfaces, 2019: 40980-40987.

[11] Xin Bin 3C/4H-SiC pertumbuhan heteroepitaxial berdasarkan proses CVD: pencirian kecacatan dan evolusi [D].

[12] Dong Lin teknologi pertumbuhan epitaxial berbilang kawasan besar dan pencirian sifat fizikal silikon karbida [D].

[13] Diani M , Simon L , Kubler L ,et al. Pertumbuhan kristal politaip 3C-SiC pada substrat 6H-SiC(0001)[J]. Jurnal Pertumbuhan Kristal, 2002, 235(1):95-102.