Udviklingshistorikken for 3c sic

Som en vigtig form forSiliciumcarbid, udviklingshistorien for3c-siCReflekterer den kontinuerlige fremskridt inden for halvledermaterialvidenskab. I 1980'erne har Nishino et al. Først opnået 4um 3c-Sic Thin Films på siliciumsubstrater ved kemisk dampaflejring (CVD) [1], som lagde grundlaget for 3C-Sic Thin Film Technology.

1990'erne var den gyldne tidsalder for SIC -forskning. Cree Research Inc. lancerede henholdsvis 6H-SIC og 4H-SIC-chips i 1991 og 1994, der fremmer kommercialiseringen afSIC Semiconductor -enheder. Den teknologiske fremgang i denne periode lagde grundlaget for den efterfølgende forskning og anvendelse af 3C-SIC.

I det tidlige 21. århundrede,Domestol siliciumbaserede sic tynde filmogså udviklet sig til en vis grad. Ye Zhizhen et al. fremstillet siliciumbaserede SiC tynde film ved CVD under lave temperaturforhold i 2002 [2]. I 2001, An Xia et al. fremstillet siliciumbaserede SiC tynde film ved magnetronsputtering ved stuetemperatur [3].

Men på grund af den store forskel mellem gitterkonstanten for Si og den for SiC (ca. 20%), er defekttætheden af ​​3C-SiC epitaksiallag relativt høj, især tvillingdefekten såsom DPB. For at reducere gittermismatchet bruger forskere 6H-SiC, 15R-SiC eller 4H-SiC på (0001) overfladen som substrat til at dyrke 3C-SiC epitaksialt lag og reducere defektdensiteten. For eksempel, i 2012, Seki, Kazuaki et al. foreslået den dynamiske polymorfe epitaksikontrolteknologi, som realiserer den polymorfe selektive vækst af 3C-SiC og 6H-SiC på 6H-SiC (0001) overfladefrø ved at kontrollere overmætningen [4-5]. I 2023 brugte forskere som Xun Li CVD-metoden til at optimere væksten og processen og opnåede med succes en glat 3C-SiCepitaksialt laguden DPB-defekter på overfladen på et 4H-SiC-substrat ved en væksthastighed på 14um/h[6].

Krystalstruktur og applikationsfelter på 3C SIC

Blandt mange SiCD-polytyper er 3C-SiC den eneste kubiske polytype, også kendt som β-SiC. I denne krystalstruktur eksisterer Si- og C-atomer i et en-til-en-forhold i gitteret, og hvert atom er omgivet af fire heterogene atomer, der danner en tetraedrisk strukturel enhed med stærke kovalente bindinger. Det strukturelle træk ved 3C-SiC er, at Si-C diatomiske lag gentagne gange er arrangeret i rækkefølgen ABC-ABC-..., og hver enhedscelle indeholder tre sådanne diatomiske lag, som kaldes C3-repræsentation; krystalstrukturen af ​​3C-SiC er vist i figuren nedenfor:

Figur 1 Krystalstruktur af 3C-SiC

I øjeblikket er silicium (SI) det mest almindeligt anvendte halvledermateriale til strømenheder. På grund af udførelsen af ​​SI er siliciumbaserede strømenheder imidlertid begrænset. Sammenlignet med 4H-SIC og 6H-SIC har 3C-SIC den højeste stuetemperatur teoretisk elektronmobilitet (1000 cm · V-1 · S-1) og har flere fordele i MOS-enhedsapplikationer. På samme tid har 3C-SIC også fremragende egenskaber såsom høj nedbrydningsspænding, god termisk ledningsevne, høj hårdhed, bred båndgap, høj temperaturresistens og strålingsmodstand. Derfor har det et stort potentiale inden for elektronik, optoelektronik, sensorer og applikationer under ekstreme forhold, fremme udviklingen og innovationen af ​​relaterede teknologier og viser et bredt anvendelsespotentiale på mange områder:

Først: Især i højspænding, højfrekvens og høje temperaturmiljøer, gør den høje nedbrydningsspænding og høj elektronmobilitet af 3C-SIC det til et ideelt valg til fremstilling af effektanordninger såsom MOSFET [7]. For det andet: anvendelsen af ​​3C-SIC i nanoelektronik og mikroelektromekaniske systemer (MEMS) drager fordel af dens kompatibilitet med siliciumteknologi, hvilket tillader fremstilling af nanoskala strukturer såsom nanoelektronik og nanoelektromekaniske enheder [8]. For det tredje: Som et bredt bandgap-halvledermateriale er 3c-Sic velegnet til fremstilling afBlå lysemitterende dioder(LED'er). Dets anvendelse inden for belysning, display -teknologi og lasere har tiltrukket sig opmærksomhed på grund af dens høje lysende effektivitet og let doping [9]. For det fjerde: På samme tid bruges 3C-SIC til at fremstille positionsfølsomme detektorer, især laserpunktspositionsfølsomme detektorer baseret på den laterale fotovoltaiske effekt, der viser høj følsomhed under nul biasforhold og er egnede til præcis positionering [10] .

3. Fremstillingsmetode for 3C SiC heteroepitaxy

De vigtigste vækstmetoder for 3C-SiC heteroepitaxy omfatterkemisk dampaflejring (CVD), sublimationsepitaksi (SE), flydende fase epitaksi (LPE), Molecular Beam Epitaxy (MBE), Magnetron Sputtering osv. CVD er den foretrukne metode til 3C-SIC-epitaxy på grund af dens kontrolbarhed og tilpasningsevne (såsom temperatur, gasstrøm, kammertryk og reaktionstid, som kan optimere kvaliteten af epitaxial lag).

Kemisk dampaflejring (CVD): En sammensat gas, der indeholder SI- og C-elementer, overføres til reaktionskammeret, opvarmet og dekomponeret ved høj temperatur, og derefter udfældes Si-atomer og C-atomer på Si-substratet eller 6H-SIC, 15R- SIC, 4H-SIC-substrat [11]. Temperaturen på denne reaktion er normalt mellem 1300-1500 ℃. Almindelige SI -kilder inkluderer SIH4, TCS, MTS osv. Og C -kilder inkluderer hovedsageligt C2H4, C3H8 osv. Med H2 som bærergas. Vækstprocessen inkluderer hovedsageligt følgende trin: 1. Gasfasreaktionskilden transporteres til deponeringszonen i hovedgasstrømmen. 2. gasfase-reaktion forekommer i grænselaget for at generere tynde filmforløbere og biprodukter. 3.. Nedbør, adsorption og krakningsproces for forløberen. 4.. De adsorberede atomer vandrer og rekonstrueres på substratoverfladen. 5. De adsorberede atomer nucleate og vokser på underlagsoverfladen. 6. Massetransport af affaldsgassen efter reaktionen i hovedgasstrømningszonen og tages ud af reaktionskammeret. Figur 2 er et skematisk diagram over CVD [12].

Figur 2 Skematisk diagram af CVD

Sublimationsepitaksi (SE) metode: Figur 3 er et eksperimentelt strukturdiagram af SE-metoden til fremstilling af 3C-SiC. Hovedtrinene er nedbrydning og sublimering af SiC-kilden i højtemperaturzonen, transporten af ​​sublimaterne og reaktionen og krystallisationen af ​​sublimaterne på substratoverfladen ved en lavere temperatur. Detaljerne er som følger: 6H-SiC eller 4H-SiC substrat placeres på toppen af ​​digelen, ogSic-pulver med høj renhedbruges som sic råmateriale og placeres i bunden afGrafit Crucible. Crucible opvarmes til 1900-2100 ℃ ved radiofrekvensinduktion, og underlagstemperaturen styres til at være lavere end SIC-kilden, der danner en aksial temperaturgradient inde i digel til dannelse af 3C-SIC heteroepitaxial.

Fordelene ved sublimeringsepitaksi er hovedsageligt i to aspekter: 1. Epitaksitemperaturen er høj, hvilket kan reducere krystaldefekter; 2. Det kan ætses for at opnå en ætset overflade på atomniveau. Under vækstprocessen kan reaktionskilden imidlertid ikke justeres, og silicium-carbon-forholdet, tid, forskellige reaktionssekvenser osv. kan ikke ændres, hvilket resulterer i et fald i vækstprocessens kontrollerbarhed.

Figur 3 Skematisk diagram over SE-metoden til dyrkning af 3C-SIC-epitakse

Molecular Beam Epitaxy (MBE) er en avanceret tynd filmvækstteknologi, som er egnet til dyrkning af 3C-sic-epitaksiale lag på 4H-SIC eller 6H-SIC-underlag. Det grundlæggende princip for denne metode er: I et ultrahøjt vakuummiljø opvarmes elementerne i det voksende epitaksiale lag at danne en retnings atomstråle eller molekylær og hændelse på det opvarmede underlagsoverflade til at danne en retningsbestemt, gennem præcis kontrol af kildegassen. epitaksial vækst. De almindelige betingelser for voksende 3C-SICepitaksiale lagPå 4H-SIC eller 6H-SIC-underlag er: under siliciumrige forhold, er grafen og rene kulstofkilder begejstrede for gasformige stoffer med en elektronpistol, og 1200-1350 ℃ bruges som reaktionstemperatur. 3C-SIC heteroepitaxial vækst kan opnås med en vækstrate på 0,01-0,1 NMS-1 [13].

Konklusion og udsigt

Gennem kontinuerlig teknologisk fremgang og dybdegående mekanismeforskning forventes 3C-SIC Heteroepitaxial Technology at spille en vigtigere rolle i halvlederindustrien og fremme udviklingen af ​​elektroniske enheder med høj effektivitet. For eksempel er det at fortsætte med at udforske nye vækstteknikker og -strategier, såsom at indføre HCL -atmosfære for at øge vækstraten, mens den opretholdelse af lav defektdensitet, retningen for fremtidig forskning; Dybdegående forskning om defektdannelsesmekanismen og udviklingen af ​​mere avancerede karakteriseringsteknikker, såsom fotoluminescens og katodoluminescensanalyse, for at opnå mere præcis defektstyring og optimere materialegenskaber; Hurtig vækst af tyk film 3C-SIC i høj kvalitet er nøglen til at imødekomme behovene for højspændingsenheder, og yderligere forskning er nødvendig for at overvinde balancen mellem væksthastighed og materiel ensartethed; Kombineret med anvendelsen af ​​3C-SIC i heterogene strukturer såsom SIC/GAN, skal du udforske dens potentielle applikationer på nye enheder såsom kraftelektronik, optoelektronisk integration og kvanteinformationsbehandling.

Referencer:

[1] Nishino S, Hazuki Y, Matsunami H, et al. Kemisk dampaflejring af enkeltkrystallinske β-SIC-film på siliciumsubstrat med sputteret SIC-mellemlag [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. Fremstilling af nano-SiC tynde film ved magnetronforstøvning på (111) Si-substrat [J] Journal of Shandong Normal University: Natural Science Edition, 2001: 382-384 ..

[4] Seki K, Alexander, Kozawa S, et al. Polytype-selektiv vækst af SiC ved overmætningskontrol i opløsningsvækst[J]. Journal of Crystal Growth, 2012, 360:176-180.

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

[6] Li X, Wang G .CVD-vækst af 3C-SIC-lag på 4H-SIC-underlag med forbedret morfologi [J] .solid statskommunikation, 2023: 371.

[7] Hou Kaiwen.

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

[9] Xu Qingfang.

[10] Foisal A R M , Nguyen T , Dinh T K , et al.3C-SiC/Si Heterostructure: An Excellent Platform for Position-Sensitive Detectors Based on Photovoltaic Effect[J].ACS Applied Materials & Interfaces, 2019: 40980-40987.

[11] Xin Bin 3C/4H-SiC heteroepitaksial vækst baseret på CVD-proces: defektkarakterisering og evolution [D] Xi'an University of Electronic Science and Technology.

[12] Dong Lin.

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