Sejarah pembangunan 3c sic

Sebagai bentuk pentingSilicon Carbide, 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.

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

Pada awal abad ke -21,Filem Sic Thin 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 kisi Si dan SIC (kira-kira 20%), ketumpatan kecacatan lapisan epitaxial 3c-SIC agak tinggi, terutamanya kecacatan kembar seperti DPB. Untuk mengurangkan ketidakcocokan kekisi, penyelidik menggunakan 6H-SIC, 15R-SIC atau 4H-SIC pada permukaan (0001) sebagai substrat untuk tumbuh lapisan epitaxial 3C-SIC dan mengurangkan ketumpatan kecacatan. Sebagai contoh, pada tahun 2012, Seki, Kazuaki et al. mencadangkan teknologi kawalan epitaxy polimorfik dinamik, yang menyedari pertumbuhan selektif polimorfik 3C-SIC dan 6H-SIC pada benih permukaan 6H-SIC (0001) dengan mengawal supersaturation [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].

Struktur kristal dan medan aplikasi 3c sic

Di antara banyak polytypes SICD, 3C-SIC adalah satu-satunya polytype padu, yang juga dikenali sebagai β-SIC. Dalam struktur kristal ini, atom Si dan C wujud dalam nisbah satu sama lain 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 tersebut, yang dipanggil perwakilan C3; Struktur kristal 3C-SIC ditunjukkan dalam gambar 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 prestasi SI, peranti kuasa berasaskan silikon adalah terhad. Berbanding dengan 4H-SIC dan 6H-SIC, 3C-SIC mempunyai mobiliti elektron teoretikal 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 kerosakan tinggi, kekonduksian terma yang baik, kekerasan tinggi, bandgap lebar, rintangan suhu tinggi, dan rintangan radiasi. Oleh itu, ia mempunyai potensi besar dalam elektronik, optoelektronik, sensor, dan aplikasi di bawah keadaan yang melampau, mempromosikan pembangunan dan inovasi teknologi yang 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 mengeluarkan peranti kuasa 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). Aplikasi dalam pencahayaan, teknologi paparan dan laser telah menarik perhatian kerana kecekapan bercahaya yang tinggi dan doping mudah [9]. Keempat: Pada masa yang sama, 3C-SIC digunakan untuk mengeluarkan pengesan sensitif kedudukan, terutamanya pengesan sensitif kedudukan laser titik berdasarkan kesan fotovoltaik lateral, yang menunjukkan kepekaan yang tinggi di bawah keadaan bias sifar dan sesuai untuk kedudukan yang tepat [10] .

3. Kaedah penyediaan heteroepitaksi 3C SiC

Kaedah pertumbuhan utama Heteroepitaxy 3C-SIC 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 kompaun yang mengandungi unsur-unsur Si dan C disalurkan ke dalam ruang tindak balas, dipanaskan dan dibusuk pada suhu tinggi, dan kemudian atom Si dan atom C dicetuskan ke substrat Si, atau 6H-SIC, 15r- SIC, substrat 4H-SIC [11]. Suhu tindak balas ini biasanya antara 1300-1500 ℃. Sumber SI biasa termasuk SIH4, TCS, MTS, dan lain -lain, dan sumber C terutamanya termasuk C2H4, C3H8, dan lain -lain, dengan H2 sebagai gas pembawa. Proses pertumbuhan terutamanya termasuk langkah -langkah berikut: 1. Sumber reaksi fasa gas diangkut ke zon pemendapan di aliran gas utama. 2. Reaksi fasa gas berlaku di lapisan sempadan untuk menghasilkan prekursor filem nipis dan produk sampingan. 3. Proses pemendakan, penjerapan dan retak prekursor. 4. Atom yang terserap berhijrah dan membina semula permukaan substrat. 5. Atom yang terserap nukleat dan tumbuh pada permukaan substrat. 6. Pengangkutan massa gas sisa selepas tindak balas ke zon aliran gas utama dan diambil dari ruang tindak balas. Rajah 2 adalah gambarajah skematik CVD [12].

Rajah 2 Diagram skematik CVD

Kaedah Epitaxy (SE) Sublimation: Rajah 3 adalah gambarajah struktur eksperimen kaedah SE untuk menyediakan 3C-SIC. Langkah -langkah utama adalah penguraian dan penyejatan sumber SIC di 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 yang boleh dilepaskan, danSerbuk SIC yang 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 heteroepitaxial 3C-SiC.

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 Skema gambarajah Kaedah SE untuk mengembangkan epitaxy 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 adalah: di bawah keadaan kaya silikon, graphene dan sumber karbon tulen teruja dengan bahan gas dengan pistol elektron, dan 1200-1350 ℃ digunakan sebagai suhu tindak balas. Pertumbuhan 3C-SIC heteroepitaxial boleh didapati pada kadar pertumbuhan 0.01-0.1 NMS-1 [13].

Kesimpulan dan Prospek

Melalui kemajuan teknologi yang berterusan dan penyelidikan mekanisme mendalam, teknologi heteroepitaxal 3C-SIC dijangka memainkan peranan yang lebih penting dalam industri semikonduktor dan menggalakkan pembangunan peranti elektronik kecekapan tinggi. Sebagai contoh, terus meneroka teknik dan strategi pertumbuhan baru, seperti memperkenalkan suasana HCL untuk meningkatkan kadar pertumbuhan sambil mengekalkan ketumpatan kecacatan yang rendah, adalah arah penyelidikan masa depan; Penyelidikan mendalam mengenai mekanisme pembentukan kecacatan, dan pembangunan teknik pencirian yang lebih maju, seperti fotoluminescence dan analisis cathodoluminescence, untuk mencapai kawalan kecacatan yang lebih tepat dan mengoptimumkan sifat bahan; Pertumbuhan pesat filem tebal 3C-SIC yang berkualiti tinggi adalah kunci untuk memenuhi keperluan peranti voltan tinggi, dan penyelidikan selanjutnya diperlukan untuk mengatasi keseimbangan antara kadar pertumbuhan dan keseragaman material; Digabungkan dengan penggunaan 3C-SIC dalam struktur heterogen seperti SIC/GAN, meneroka aplikasi potensinya dalam peranti baru 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 polytype-selektif SIC oleh kawalan supersaturation dalam pertumbuhan penyelesaian [J]. Jurnal Pertumbuhan Kristal, 2012, 360: 176-180.

[5] Chen Yao, Zhao Fuqiang, Zhu Bingxian, dia shuai.

[6] Li X, Wang G. CVD pertumbuhan lapisan 3C-SIC pada substrat 4H-SIC dengan morfologi yang lebih baik [J]. Sembilan Komunikasi Negeri, 2023: 371.

[7] Hou Kaiwen.

[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.

[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.

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