Historie vývoje 3C SiC

Jako důležitou formukarbid křemíku, historii vývoje3C-SiCodráží neustálý pokrok vědy o polovodičových materiálech. V 80. letech Nishino a spol. nejprve získal 4um tenké vrstvy 3C-SiC na křemíkových substrátech chemickou depozicí z plynné fáze (CVD) [1], což položilo základ pro technologii tenkých vrstev 3C-SiC.

Devadesátá léta byla zlatým věkem výzkumu SiC. Společnost Cree Research Inc. uvedla na trh čipy 6H-SiC a 4H-SiC v roce 1991 a 1994, čímž podpořila komercializaciSiC polovodičová zařízení. Technologický pokrok v tomto období položil základ pro následný výzkum a aplikaci 3C-SiC.

Na počátku 21. stoletídomácí tenké vrstvy SiC na bázi křemíkuse také do určité míry vyvíjela. Ye Zhizhen a kol. v roce 2002 připravila tenké vrstvy SiC na bázi křemíku metodou CVD za nízkých teplot [2]. V roce 2001 An Xia a kol. připravené tenké vrstvy SiC na bázi křemíku magnetronovým naprašováním při pokojové teplotě [3].

Vzhledem k velkému rozdílu mezi mřížkovou konstantou Si a SiC (asi 20 %) je však hustota defektů epitaxní vrstvy 3C-SiC relativně vysoká, zejména defekt dvojčat, jako je DPB. Aby se snížil nesoulad mřížky, výzkumníci používají 6H-SiC, 15R-SiC nebo 4H-SiC na povrchu (0001) jako substrát pro růst epitaxní vrstvy 3C-SiC a snížení hustoty defektů. Například v roce 2012 Seki, Kazuaki a spol. navrhl technologii řízení dynamické polymorfní epitaxe, která realizuje polymorfní selektivní růst 3C-SiC a 6H-SiC na povrchovém semenu 6H-SiC (0001) řízením přesycení [4-5]. V roce 2023 výzkumníci jako Xun Li použili metodu CVD k optimalizaci růstu a procesu a úspěšně získali hladký 3C-SiCepitaxní vrstvabez defektů DPB na povrchu na 4H-SiC substrátu při rychlosti růstu 14 um/h[6].

Krystalová struktura a aplikační oblasti 3C SiC

Mezi mnoha SiCD polytypy je 3C-SiC jediným kubickým polytypem, také známým jako β-SiC. V této krystalové struktuře existují atomy Si a C v mřížce v poměru jedna ku jedné a každý atom je obklopen čtyřmi heterogenními atomy, které tvoří čtyřstěnnou strukturní jednotku se silnými kovalentními vazbami. Strukturálním znakem 3C-SiC je to, že dvouatomové vrstvy Si-C jsou opakovaně uspořádány v pořadí ABC-ABC-… a každá základní buňka obsahuje tři takové dvouatomové vrstvy, což se nazývá reprezentace C3; krystalová struktura 3C-SiC je znázorněna na obrázku níže:

Obrázek 1 Krystalová struktura 3C-SiC

V současnosti je křemík (Si) nejběžněji používaným polovodičovým materiálem pro výkonová zařízení. Vzhledem k výkonu Si jsou však výkonová zařízení na bázi křemíku omezená. Ve srovnání s 4H-SiC a 6H-SiC má 3C-SiC nejvyšší teoretickou mobilitu elektronů při pokojové teplotě (1000 cm·V-1·S-1) a má více výhod v aplikacích zařízení MOS. Současně má 3C-SiC také vynikající vlastnosti, jako je vysoké průrazné napětí, dobrá tepelná vodivost, vysoká tvrdost, široký bandgap, odolnost vůči vysokým teplotám a odolnost vůči záření. Proto má velký potenciál v elektronice, optoelektronice, senzorech a aplikacích v extrémních podmínkách, podporuje vývoj a inovace souvisejících technologií a ukazuje široký aplikační potenciál v mnoha oblastech:

Za prvé: Zejména ve vysokonapěťových, vysokofrekvenčních a vysokoteplotních prostředích je díky vysokému průraznému napětí a vysoké mobilitě elektronů 3C-SiC ideální volbou pro výrobu výkonových zařízení, jako je MOSFET [7]. Za druhé: Aplikace 3C-SiC v nanoelektronice a mikroelektromechanických systémech (MEMS) těží z jeho kompatibility s křemíkovou technologií, což umožňuje výrobu struktur v nanoměřítku, jako je nanoelektronika a nanoelektromechanická zařízení [8]. Zatřetí: Jako polovodičový materiál se širokým pásmem je 3C-SiC vhodný pro výrobumodré diody vyzařující světlo(LED diody). Jeho aplikace v osvětlení, zobrazovací technice a laserech přitáhla pozornost díky vysoké světelné účinnosti a snadnému dopování [9]. Za čtvrté: Současně se 3C-SiC používá k výrobě polohově citlivých detektorů, zejména laserových bodových polohově citlivých detektorů založených na laterálním fotovoltaickém efektu, které vykazují vysokou citlivost za podmínek nulového zkreslení a jsou vhodné pro přesné polohování [10] .

3. Způsob přípravy 3C SiC heteroepitaxe

Mezi hlavní růstové metody 3C-SiC heteroepitaxe patříchemická depozice z par (CVD), sublimační epitaxe (SE), epitaxe v kapalné fázi (LPE), molekulární paprsková epitaxe (MBE), magnetronové naprašování atd. CVD je preferovanou metodou pro 3C-SiC epitaxi kvůli její ovladatelnosti a přizpůsobivosti (jako je teplota, průtok plynu, tlak v komoře a reakční doba, což může optimalizovat kvalitu epitaxní vrstva).

Chemická depozice z plynné fáze (CVD): Složený plyn obsahující prvky Si a C se vede do reakční komory, zahřívá se a rozkládá při vysoké teplotě a poté se atomy Si a atomy C vysrážejí na substrátu Si, neboli 6H-SiC, 15R- SiC, 4H-SiC substrát [11]. Teplota této reakce je obvykle mezi 1300-1500 °C. Mezi běžné zdroje Si patří SiH4, TCS, MTS atd., a zdroje C hlavně zahrnují C2H4, C3H8 atd., s H2 jako nosným plynem. Proces růstu zahrnuje především následující kroky: 1. Zdroj reakce v plynné fázi je transportován do depoziční zóny v hlavním proudu plynu. 2. Reakce v plynné fázi probíhá v mezní vrstvě za vzniku tenkých filmových prekurzorů a vedlejších produktů. 3. Proces srážení, adsorpce a krakování prekurzoru. 4. Adsorbované atomy migrují a rekonstruují se na povrchu substrátu. 5. Adsorbované atomy nukleují a rostou na povrchu substrátu. 6. Hmotový transport odpadního plynu po reakci do zóny hlavního proudu plynu a je vyveden z reakční komory. Obrázek 2 je schematický diagram CVD [12].

Obrázek 2 Schématický diagram CVD

Metoda sublimační epitaxe (SE): Obrázek 3 je experimentální strukturní diagram metody SE pro přípravu 3C-SiC. Hlavními kroky jsou rozklad a sublimace zdroje SiC ve vysokoteplotní zóně, transport sublimátů a reakce a krystalizace sublimátů na povrchu substrátu při nižší teplotě. Podrobnosti jsou následující: 6H-SiC nebo 4H-SiC substrát je umístěn na horní část kelímku avysoce čistý SiC prášekse používá jako SiC surovina a umístí se na dnografitový kelímek. Kelímek se zahřeje na 1900-2100 ℃ pomocí vysokofrekvenční indukce a teplota substrátu je řízena tak, aby byla nižší než u zdroje SiC, čímž se uvnitř kelímku vytvoří axiální teplotní gradient, takže sublimovaný materiál SiC může kondenzovat a krystalizovat na substrátu za vzniku 3C-SiC heteroepitaxie.

Výhody sublimační epitaxe jsou především ve dvou aspektech: 1. Teplota epitaxe je vysoká, což může snížit krystalové defekty; 2. Může být leptán, aby se získal leptaný povrch na atomární úrovni. Během procesu růstu však nelze upravit zdroj reakce a nelze měnit poměr křemík-uhlík, čas, různé reakční sekvence atd., což má za následek snížení řiditelnosti procesu růstu.

Obrázek 3 Schématický diagram SE metody pro pěstování 3C-SiC epitaxe

Molecular beam epitaxy (MBE) je pokročilá technologie růstu tenkých vrstev, která je vhodná pro pěstování 3C-SiC epitaxních vrstev na 4H-SiC nebo 6H-SiC substrátech. Základním principem této metody je: v prostředí ultravysokého vakua se díky přesné kontrole zdrojového plynu prvky rostoucí epitaxní vrstvy zahřívají, aby vytvořily směrovaný atomový paprsek nebo molekulární paprsek, a dopadají na zahřátý povrch substrátu. epitaxní růst. Běžné podmínky pro pěstování 3C-SiCepitaxní vrstvyna substrátech 4H-SiC nebo 6H-SiC jsou: za podmínek bohatých na křemík jsou zdroje grafenu a čistého uhlíku excitovány na plynné látky pomocí elektronového děla a jako reakční teplota se používá 1200-1350℃. 3C-SiC heteroepitaxní růst lze dosáhnout při rychlosti růstu 0,01-0,1 nms-1 [13].

Závěr a výhled

Díky neustálému technologickému pokroku a hloubkovému výzkumu mechanismů se očekává, že 3C-SiC heteroepitaxní technologie bude hrát důležitější roli v polovodičovém průmyslu a bude podporovat vývoj vysoce účinných elektronických zařízení. Směrem budoucího výzkumu je například pokračování ve zkoumání nových růstových technik a strategií, jako je zavádění HCl atmosféry pro zvýšení rychlosti růstu při zachování nízké hustoty defektů; hloubkový výzkum mechanismu tvorby defektů a vývoj pokročilejších charakterizačních technik, jako je fotoluminiscenční a katodoluminiscenční analýza, s cílem dosáhnout přesnější kontroly defektů a optimalizovat vlastnosti materiálu; rychlý růst vysoce kvalitního tlustovrstvého 3C-SiC je klíčem k uspokojení potřeb vysokonapěťových zařízení a je zapotřebí dalšího výzkumu k překonání rovnováhy mezi rychlostí růstu a uniformitou materiálu; v kombinaci s aplikací 3C-SiC v heterogenních strukturách, jako je SiC/GaN, prozkoumejte jeho potenciální aplikace v nových zařízeních, jako je výkonová elektronika, optoelektronická integrace a kvantové zpracování informací.

Reference:

[1] Nishino S, Hazuki Y, Matsunami H a kol. Chemická depozice monokrystalických β‐SiC filmů z plynné fáze na křemíkovém substrátu s naprašovanou mezivrstvou SiC[J]. Journal of The Electrochemical Society, 1980, 127(12):2674-2680.

[2] Ye Zhizhen, Wang Yadong, Huang Jingyun a kol. Výzkum nízkoteplotního růstu tenkých vrstev karbidu křemíku [J] Journal of Vacuum Science and Technology, 2002, 022(001):58-60. .

[3] An Xia, Zhuang Huizhao, Li Huaixiang, a kol ..

[4] Seki K, Alexander, Kozawa S, a kol. Polytypově selektivní růst SiC kontrolou přesycení při růstu roztoku[J]. Journal of Crystal Growth, 2012, 360:176-180.

[5] Chen Yao, Zhao Fuqiang, Zhu Bingxian, He Shuai Přehled vývoje energetických zařízení z karbidu křemíku doma a v zahraničí [J].

[6] Li X, Wang G. CVD růst vrstev 3C-SiC na substrátech 4H-SiC se zlepšenou morfologií[J]. Solid State Communications, 2023:371.

[7] Hou Kaiwen Výzkum vzorovaného substrátu Si a jeho aplikace při růstu 3C-SiC [D], 2018.

[8]Lars, Hiller, Thomas a kol. Vodíkové efekty v ECR-leptání 3C-SiC(100) Mesa Structures[J].Materials Science Forum, 2014.

[9] Xu Qingfang Příprava tenkých vrstev 3C-SiC pomocí laserové chemické depozice z plynné fáze [D], 2016.

[10] Foisal AR M, Nguyen T, Dinh TK a kol.3C-SiC/Si Heterostruktura: Vynikající platforma pro polohově citlivé detektory založené na fotovoltaickém efektu[J]. ACS Applied Materials & Interfaces, 2019: 409870-4099

[11] Xin Bin 3C/4H-SiC heteroepitaxní růst založený na procesu CVD: charakterizace defektů a evoluce [D].

[12] Technologie velkoplošného vícevrstvého epitaxního růstu a charakterizace fyzikálních vlastností karbidu křemíku [D], 2014.

[13] Diani M., Simon L., Kubler L. a kol. Růst krystalů polytypu 3C-SiC na substrátu 6H-SiC(0001)[J]. Journal of Crystal Growth, 2002, 235 (1): 95-102.