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 pananaliksik ng SIC. Inilunsad ng Cree Research Inc. ang 6H-SIC at 4H-SIC chips noong 1991 at 1994 ayon sa pagkakabanggit, na nagtataguyod 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.

Sa unang bahagi ng ika -21 siglo,domestic silikon na batay sa 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 pare-pareho ng lattice ng SI at ng SIC (tungkol sa 20%), ang density ng depekto ng 3C-SiC epitaxial layer ay medyo mataas, lalo na ang kambal na depekto tulad ng DPB. Upang mabawasan ang lattice mismatch, ang mga mananaliksik ay gumagamit ng 6H-SIC, 15R-SIC o 4H-SIC sa (0001) na ibabaw bilang substrate upang mapalago ang 3C-SiC epitaxial layer at bawasan ang density ng depekto. Halimbawa, noong 2012, Seki, Kazuaki et al. iminungkahi ang dinamikong teknolohiyang kontrol ng epitaxy control, na napagtanto ang polymorphic selective na paglaki ng 3C-SIC at 6H-SIC sa 6H-SIC (0001) na binhi ng ibabaw sa pamamagitan ng pagkontrol sa supersaturation [4-5]. Noong 2023, ginamit ng mga mananaliksik tulad ng Xun Li ang pamamaraan ng CVD upang ma-optimize ang paglaki at proseso, at matagumpay na nakuha ang isang makinis 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:

Larawan 1 Crystal na istraktura ng 3C-SIC

Sa kasalukuyan, ang silikon (SI) ay ang pinaka -karaniwang ginagamit na materyal na semiconductor para sa mga aparato ng kuryente. Gayunpaman, dahil sa pagganap ng SI, ang mga aparato na batay sa silikon ay limitado. Kung ikukumpara sa 4H-SIC at 6H-SIC, ang 3C-SIC ay may pinakamataas na temperatura ng temperatura ng teoretikal na kadaliang kumilos (1000 cm · V-1 · S-1), at may higit na pakinabang sa mga aplikasyon ng aparato ng MOS. Kasabay nito, ang 3C-SIC ay mayroon ding mahusay na mga katangian tulad ng mataas na boltahe ng breakdown, mahusay na thermal conductivity, mataas na tigas, malawak na bandgap, mataas na temperatura ng paglaban, at paglaban sa radiation. Samakatuwid, ito ay may malaking potensyal sa electronics, optoelectronics, sensor, at mga aplikasyon sa ilalim ng matinding mga kondisyon, na nagtataguyod ng pag -unlad at pagbabago ng mga kaugnay na teknolohiya, at pagpapakita ng malawak na potensyal ng 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 compound gas na naglalaman ng mga elemento ng Si at C ay ipinasa sa silid ng reaksyon, pinainit at nabulok sa mataas na temperatura, at pagkatapos ay ang mga atom at c atoms ay napapunta sa SI substrate, o 6H-SIC, 15R- Sic, 4H-SiC substrate [11]. Ang temperatura ng reaksyon na ito ay karaniwang sa pagitan ng 1300-1500 ℃. Ang mga karaniwang mapagkukunan ng SI ay kinabibilangan ng SIH4, TCS, MTS, atbp. Ang proseso ng paglago ay pangunahing kasama ang mga sumusunod na hakbang: 1. Ang mapagkukunan ng reaksyon ng gas phase ay dinala sa deposition zone sa pangunahing daloy ng gas. 2. Ang reaksyon ng phase ng gas ay nangyayari sa hangganan ng layer upang makabuo ng mga manipis na mga precursor ng pelikula at mga by-product. 3. Ang pag -ulan, adsorption at proseso ng pag -crack ng precursor. 4. Ang mga adorbed na atom ay lumipat at muling magtayo sa ibabaw ng substrate. 5. Ang mga adorbed na atom ay nucleate at lumalaki sa ibabaw ng substrate. 6. Ang mass transport ng basurang gas pagkatapos ng reaksyon sa pangunahing gas flow zone at kinuha sa labas ng silid ng reaksyon. Ang Figure 2 ay isang diagram ng eskematiko ng CVD [12].

Figure 2 Schematic diagram ng CVD

Pamamaraan ng Sublimation Epitaxy (SE): Ang Larawan 3 ay isang eksperimentong istraktura ng istraktura ng pamamaraan ng SE para sa paghahanda ng 3C-SIC. Ang mga pangunahing hakbang ay ang agnas at pagbagsak ng mapagkukunan ng SIC sa mataas na temperatura zone, ang transportasyon ng mga sublimates, at ang reaksyon at pagkikristal ng mga sublimates sa ibabaw ng substrate sa isang mas mababang temperatura. Ang mga detalye ay ang mga sumusunod: 6H-SIC o 4H-SIC substrate ay inilalagay sa tuktok ng Krus, atMataas na kadalisayan sic powderay ginagamit bilang sic raw material at inilagay sa ilalim ngGraphite Crucible. Ang crucible ay pinainit hanggang 1900-2100 ℃ sa pamamagitan ng induction ng dalas ng radyo, at ang temperatura ng substrate ay kinokontrol upang maging mas mababa kaysa sa mapagkukunan ng SIC, na bumubuo ng isang axial temperatura gradient sa loob ng crucible, upang ang sublimated na materyal na sic ay maaaring magbigay at mag-crystallize sa substrate Upang mabuo ang 3C-SIC heteroepitaxial.

Ang mga bentahe ng sublimation epitaxy ay pangunahing sa dalawang aspeto: 1. Ang temperatura ng epitaxy ay mataas, na maaaring mabawasan ang mga depekto sa kristal; 2. Maaari itong mai -etched upang makakuha ng isang etched na ibabaw sa antas ng atomic. Gayunpaman, sa panahon ng proseso ng paglago, ang mapagkukunan ng reaksyon ay hindi maaaring ayusin, at ang ratio ng silikon-carbon, oras, iba't ibang mga pagkakasunud-sunod ng reaksyon, atbp ay hindi mababago, na nagreresulta sa pagbaba ng pagkontrol sa 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 manipis na teknolohiya ng paglago ng pelikula, na angkop para sa paglaki ng 3C-SiC epitaxial layer sa 4H-SIC o 6H-SIC substrates. Ang pangunahing prinsipyo ng pamamaraang ito ay: sa isang ultra-high vacuum na kapaligiran, sa pamamagitan ng tumpak na kontrol ng mapagkukunan ng gas, ang mga elemento ng lumalagong epitaxial layer ay pinainit upang makabuo ng isang direksyon na atomic beam o molekular na beam at insidente sa pinainit na substrate na ibabaw para sa Paglago ng Epitaxial. Ang mga karaniwang kondisyon para sa paglaki ng 3C-SICMga epitaxial layersa 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 patuloy na pag-unlad ng teknolohikal at malalim na pananaliksik ng mekanismo, ang 3C-SIC heteroepitaxial na teknolohiya ay inaasahan na maglaro ng isang mas mahalagang papel sa industriya ng semiconductor at itaguyod ang pagbuo ng mga high-efficiency electronic na aparato. Halimbawa, ang patuloy na galugarin ang mga bagong diskarte sa paglago at mga diskarte, tulad ng pagpapakilala ng kapaligiran ng HCl upang madagdagan ang rate ng paglago habang pinapanatili ang mababang kakulangan sa depekto, ay ang direksyon ng pananaliksik sa hinaharap; Malalim na pananaliksik sa mekanismo ng pagbuo ng depekto, at ang pag-unlad ng mas advanced na mga diskarte sa pagkilala, tulad ng photoluminescence at cathodoluminescence analysis, upang makamit ang mas tumpak na kontrol ng depekto at ma-optimize ang mga materyal na katangian; Ang mabilis na paglaki ng de-kalidad na makapal na pelikula 3C-SIC ay ang susi upang matugunan ang mga pangangailangan ng mga aparato na may mataas na boltahe, at ang karagdagang pananaliksik ay kinakailangan upang malampasan ang balanse sa pagitan ng rate ng paglago at materyal na pagkakapareho; 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 aparato tulad ng electronics ng kuryente, pagsasama ng optoelectronic at pagproseso ng impormasyon sa dami.

Mga sanggunian:

[1] Nishino S, Hazuki Y, Matsunami H, et al. Ang pag-aalis ng singaw ng kemikal ng solong crystalline β-sic films sa silikon na 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.

[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 growth of SiC by supersaturation control in solution growth[J]. Journal of Crystal Growth, 2012, 360: 176-180.

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

[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. Ang mga epekto ng hydrogen sa ECR-etching ng 3C-SIC (100) MESA Structures [J] .Material Science Forum, 2014.

[9] Xu Qingfang.

[10] Foisal A R M, Nguyen T, Dinh T K, et al.3C-SIC/SI heterostructure: Isang mahusay na platform para sa mga sensitibong detektor batay sa photovoltaic effect [J] .ACS Applied Materials & Interfaces, 2019: 40980-40987.

[11] Xin Bin.

[12] Dong Lin.

[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.