Ang Kasaysayan ng Pag-unlad ng 3C SiC

Bilang isang mahalagang anyo ngsilikon karbid, ang kasaysayan ng pag-unlad ng3C-SiCsumasalamin sa patuloy na pag-unlad ng semiconductor material science. Noong 1980s, Nishino et al. unang nakakuha ng 4um 3C-SiC thin films sa silicon substrates sa pamamagitan ng chemical vapor deposition (CVD) [1], na naglatag ng pundasyon para sa 3C-SiC thin film technology.

Ang 1990s ay ang ginintuang edad ng SiC research. Inilunsad ng Cree Research Inc. ang 6H-SiC at 4H-SiC chips noong 1991 at 1994 ayon sa pagkakabanggit, na nagsusulong ng komersyalisasyon ngMga aparatong semiconductor ng SiC. Ang pag-unlad ng teknolohiya sa panahong ito ay naglatag ng pundasyon para sa kasunod na pananaliksik at aplikasyon ng 3C-SiC.

Noong unang bahagi ng ika-21 siglo,domestic silicon-based SiC thin filmsbinuo din sa isang tiyak na lawak. Ye Zhizhen et al. naghanda ng mga silicon-based na SiC thin film ng CVD sa ilalim ng mababang kondisyon ng temperatura noong 2002 [2]. Noong 2001, si An Xia et al. naghanda ng silicon-based na SiC thin films sa pamamagitan ng magnetron sputtering sa room temperature [3].

Gayunpaman, dahil sa malaking pagkakaiba sa pagitan ng lattice constant ng Si at ng SiC (mga 20%), medyo mataas ang defect density ng 3C-SiC epitaxial layer, lalo na ang twin defect tulad ng DPB. Upang mabawasan ang mismatch ng sala-sala, ginagamit ng mga mananaliksik ang 6H-SiC, 15R-SiC o 4H-SiC sa ibabaw ng (0001) bilang substrate upang lumaki ang 3C-SiC epitaxial layer at bawasan ang density ng depekto. Halimbawa, noong 2012, Seki, Kazuaki et al. iminungkahi ang dynamic na polymorphic epitaxy control technology, na napagtatanto ang polymorphic selective growth ng 3C-SiC at 6H-SiC sa 6H-SiC (0001) surface seed sa pamamagitan ng pagkontrol sa supersaturation [4-5]. Noong 2023, ginamit ng mga mananaliksik tulad ni Xun Li ang paraan ng CVD upang ma-optimize ang paglago at proseso, at matagumpay na nakakuha ng maayos na 3C-SiCepitaxial layerna walang mga depekto sa DPB sa ibabaw sa isang 4H-SiC substrate sa rate ng paglago na 14um/h[6].

Crystal Structure at Application Fields ng 3C SiC

Sa maraming SiCD polytype, ang 3C-SiC ay ang tanging cubic polytype, na kilala rin bilang β-SiC. Sa istrukturang kristal na ito, ang mga Si at C na atom ay umiiral sa one-to-one na ratio sa sala-sala, at ang bawat atom ay napapalibutan ng apat na heterogenous na mga atomo, na bumubuo ng isang tetrahedral structural unit na may malakas na covalent bond. Ang tampok na istruktura ng 3C-SiC ay ang Si-C diatomic layer ay paulit-ulit na nakaayos sa pagkakasunud-sunod ng ABC-ABC-…, at ang bawat unit cell ay naglalaman ng tatlong tulad na diatomic na layer, na tinatawag na C3 representation; ang kristal na istraktura ng 3C-SiC ay ipinapakita sa figure sa ibaba:

Figure 1 Crystal na istraktura ng 3C-SiC

Sa kasalukuyan, ang silikon (Si) ay ang pinakakaraniwang ginagamit na materyal na semiconductor para sa mga power device. Gayunpaman, dahil sa pagganap ng Si, limitado ang mga aparatong kapangyarihan na nakabatay sa silikon. Kung ikukumpara sa 4H-SiC at 6H-SiC, ang 3C-SiC ay may pinakamataas na temperatura ng silid na theoretical electron mobility (1000 cm·V-1·S-1), at may mas maraming pakinabang sa mga application ng MOS device. Kasabay nito, ang 3C-SiC ay mayroon ding mahusay na mga katangian tulad ng mataas na breakdown boltahe, mahusay na thermal conductivity, mataas na tigas, malawak na bandgap, mataas na temperatura na pagtutol, at radiation resistance. Samakatuwid, ito ay may malaking potensyal sa electronics, optoelectronics, sensors, at mga aplikasyon sa ilalim ng matinding mga kondisyon, nagpo-promote ng pagbuo at pagbabago ng mga kaugnay na teknolohiya, at nagpapakita ng malawak na potensyal na aplikasyon sa maraming larangan:

Una: Lalo na sa mataas na boltahe, mataas na dalas at mataas na temperatura na kapaligiran, ang mataas na breakdown na boltahe at mataas na electron mobility ng 3C-SiC ay ginagawa itong perpektong pagpipilian para sa paggawa ng mga power device gaya ng MOSFET [7]. Pangalawa: Ang aplikasyon ng 3C-SiC sa nanoelectronics at microelectromechanical system (MEMS) ay nakikinabang mula sa pagiging tugma nito sa teknolohiya ng silikon, na nagpapahintulot sa paggawa ng mga istrukturang nanoscale tulad ng nanoelectronics at nanoelectromechanical na mga aparato [8]. Ikatlo: Bilang isang malawak na bandgap na semiconductor na materyal, ang 3C-SiC ay angkop para sa paggawa ngasul na light-emitting diode(Mga LED). Ang aplikasyon nito sa pag-iilaw, teknolohiya ng pagpapakita at mga laser ay nakakaakit ng pansin dahil sa mataas na kahusayan nito sa maliwanag at madaling doping [9]. Pang-apat: Kasabay nito, ang 3C-SiC ay ginagamit upang gumawa ng mga detektor na sensitibo sa posisyon, lalo na ang mga detektor na sensitibo sa posisyon ng laser point batay sa lateral photovoltaic effect, na nagpapakita ng mataas na sensitivity sa ilalim ng mga kondisyon ng zero bias at angkop para sa tumpak na pagpoposisyon [10] .

3. Paraan ng paghahanda ng 3C SiC heteroepitaxy

Kasama sa mga pangunahing pamamaraan ng paglago ng 3C-SiC heteroepitaxychemical vapor deposition (CVD), sublimation epitaxy (SE), liquid phase epitaxy (LPE), molecular beam epitaxy (MBE), magnetron sputtering, atbp. Ang CVD ay ang ginustong paraan para sa 3C-SiC epitaxy dahil sa controllability at adaptability nito (tulad ng temperatura, daloy ng gas, chamber pressure at oras ng reaksyon, na maaaring mag-optimize ng kalidad ng epitaxial layer).

Chemical vapor deposition (CVD): Ang isang tambalang gas na naglalaman ng mga elemento ng Si at C ay ipinapasa sa silid ng reaksyon, pinainit at nabubulok sa mataas na temperatura, at pagkatapos ay ang mga atomo ng Si at C na mga atomo ay napupunta sa Si substrate, o 6H-SiC, 15R- SiC, 4H-SiC substrate [11]. Ang temperatura ng reaksyong ito ay karaniwang nasa pagitan ng 1300-1500 ℃. Kabilang sa mga karaniwang Si source ang SiH4, TCS, MTS, atbp., at ang C source ay pangunahing kinabibilangan ng C2H4, C3H8, atbp., na may H2 bilang carrier gas. Pangunahing kasama sa proseso ng paglago ang mga sumusunod na hakbang: 1. Ang gas phase reaction source ay dinadala sa deposition zone sa pangunahing daloy ng gas. 2. Ang gas phase reaction ay nangyayari sa boundary layer upang makabuo ng manipis na film precursors at by-products. 3. Ang precipitation, adsorption at proseso ng pag-crack ng precursor. 4. Ang mga na-adsorbed na atom ay lumilipat at muling nabubuo sa ibabaw ng substrate. 5. Ang mga adsorbed atoms ay nag-nucleate at lumalaki sa ibabaw ng substrate. 6. Ang mass transport ng basurang gas pagkatapos ng reaksyon papunta sa main gas flow zone at inilabas sa reaction chamber. Ang Figure 2 ay isang schematic diagram ng CVD [12].

Figure 2 Schematic diagram ng CVD

Paraan ng sublimation epitaxy (SE): Ang Figure 3 ay isang experimental structure diagram ng SE method para sa paghahanda ng 3C-SiC. Ang mga pangunahing hakbang ay ang decomposition at sublimation ng SiC source sa high temperature zone, ang transportasyon ng mga sublimate, at ang reaksyon at crystallization ng mga sublimate sa substrate surface sa mas mababang temperatura. Ang mga detalye ay ang mga sumusunod: 6H-SiC o 4H-SiC substrate ay inilalagay sa tuktok ng crucible, atmataas na kadalisayan ng SiC powderay ginagamit bilang SiC raw na materyal at inilalagay sa ilalim nggraphite crucible. Ang crucible ay pinainit sa 1900-2100 ℃ sa pamamagitan ng radio frequency induction, at ang temperatura ng substrate ay kinokontrol na mas mababa kaysa sa pinagmulan ng SiC, na bumubuo ng isang gradient ng temperatura ng ehe sa loob ng crucible, upang ang sublimated na SiC na materyal ay maaaring magpalapot at mag-kristal sa substrate upang bumuo ng 3C-SiC heteroepitaxial.

Ang mga bentahe ng sublimation epitaxy ay higit sa lahat sa dalawang aspeto: 1. Ang temperatura ng epitaxy ay mataas, na maaaring mabawasan ang mga depekto ng kristal; 2. Maaari itong ukit upang makakuha ng nakaukit na ibabaw sa antas ng atom. Gayunpaman, sa panahon ng proseso ng paglago, ang pinagmulan ng reaksyon ay hindi maaaring iakma, at ang ratio ng silikon-carbon, oras, iba't ibang mga pagkakasunud-sunod ng reaksyon, atbp. ay hindi mababago, na nagreresulta sa pagbawas sa pagkontrol ng proseso ng paglago.

Figure 3 Schematic diagram ng SE method para sa pagpapalaki ng 3C-SiC epitaxy

Ang Molecular beam epitaxy (MBE) ay isang advanced na thin film growth technology, na angkop para sa pagpapalaki ng 3C-SiC epitaxial layer sa 4H-SiC o 6H-SiC na mga substrate. Ang pangunahing prinsipyo ng pamamaraang ito ay: sa isang ultra-high vacuum na kapaligiran, sa pamamagitan ng tumpak na kontrol ng source gas, ang mga elemento ng lumalaking epitaxial layer ay pinainit upang bumuo ng isang direksyon na atomic beam o molekular na sinag at insidente sa pinainit na ibabaw ng substrate para sa paglaki ng epitaxial. Ang mga karaniwang kondisyon para sa paglaki ng 3C-SiCmga layer ng epitaxialsa mga substrate ng 4H-SiC o 6H-SiC ay: sa ilalim ng mga kondisyong mayaman sa silicon, ang graphene at purong carbon na pinagmumulan ay nasasabik sa mga gaseous substance na may electron gun, at 1200-1350 ℃ ang ginagamit bilang temperatura ng reaksyon. Maaaring makuha ang 3C-SiC heteroepitaxial growth sa rate ng paglago na 0.01-0.1 nms-1 [13].

Konklusyon at Prospect

Sa pamamagitan ng tuluy-tuloy na pag-unlad ng teknolohiya at malalim na pagsasaliksik ng mekanismo, ang 3C-SiC heteroepitaxial na teknolohiya ay inaasahang gaganap ng mas mahalagang papel sa industriya ng semiconductor at isulong ang pagbuo ng mga high-efficiency na electronic device. Halimbawa, ang patuloy na paggalugad ng mga bagong diskarte at diskarte sa paglago, tulad ng pagpapakilala sa kapaligiran ng HCl upang mapataas ang rate ng paglago habang pinapanatili ang mababang density ng depekto, ay ang direksyon ng pananaliksik sa hinaharap; malalim na pananaliksik sa mekanismo ng pagbuo ng depekto, at ang pagbuo ng mas advanced na mga diskarte sa characterization, tulad ng photoluminescence at cathodoluminescence analysis, upang makamit ang mas tumpak na kontrol ng depekto at i-optimize ang mga katangian ng materyal; Ang mabilis na paglaki ng mataas na kalidad na makapal na pelikula na 3C-SiC ay ang susi upang matugunan ang mga pangangailangan ng mga aparatong may mataas na boltahe, at kailangan ng karagdagang pananaliksik upang mapagtagumpayan ang balanse sa pagitan ng rate ng paglago at pagkakapareho ng materyal; pinagsama sa aplikasyon ng 3C-SiC sa mga heterogenous na istruktura tulad ng SiC/GaN, galugarin ang mga potensyal na aplikasyon nito sa mga bagong device gaya ng power electronics, optoelectronic integration at pagpoproseso ng quantum information.

Mga sanggunian:

[1] Nishino S , Hazuki Y , Matsunami H ,et al. Chemical Vapor Deposition ng Single Crystalline β‐SiC Films sa Silicon Substrate na may Sputtered SiC Intermediate Layer[J].Journal of The Electrochemical Society, 1980, 127(12):2674-2680.

[2] Ye Zhizhen, Wang Yadong, Huang Jingyun, et al. Pananaliksik tungkol sa mababang temperatura ng paglaki ng mga silicon carbide na manipis na pelikula [J]. .

[3] An Xia, Zhuang Huizhao, Li Huaixiang, et al Paghahanda ng mga nano-SiC na manipis na pelikula sa pamamagitan ng pag-sputter ng magnetron sa (111) Si substrate [J]. ..

[4] Seki K, Alexander, Kozawa S, et al. Polytype-selective na paglago ng SiC sa pamamagitan ng supersaturation control sa paglago ng solusyon [J]. Journal of Crystal Growth, 2012, 360:176-180.

[5] Chen Yao, Zhao Fuqiang, Zhu Bingxian, He Shuai Pangkalahatang-ideya ng pagbuo ng mga aparatong pang-power ng silicon sa bahay at sa ibang bansa [J].

[6] Li X , Wang G .CVD growth ng 3C-SiC layers sa 4H-SiC substrates na may pinahusay na morphology[J].Solid State Communications, 2023:371.

[7] Pananaliksik sa Si patterned substrate at aplikasyon nito sa paglago ng 3C-SiC [D].

[8]Lars, Hiller, Thomas, et al. Hydrogen Effects sa ECR-Etching ng 3C-SiC(100) Mesa Structures[J].Materials Science Forum, 2014.

[9] Xu Qingfang Paghahanda ng 3C-SiC thin films sa pamamagitan ng laser chemical vapor deposition [D].

[10] Foisal A R M , Nguyen T , Dinh T K ,et al.3C-SiC/Si Heterostructure: Isang Napakahusay na Platform para sa Position-Sensitive Detectors Batay sa Photovoltaic Effect[J].ACS Applied Materials & Interfaces, 2019: 40980-40987.

[11] Xin Bin 3C/4H-SiC heteroepitaxial growth batay sa proseso ng CVD: defect characterization at evolution [D].

[12] Dong Lin na teknolohiya sa paglago ng multi-wafer na may malaking lugar at katangian ng pisikal na katangian ng silicon carbide [D].

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