Utvecklingshistorien för 3C SIC

Som en viktig form avkiselkarbid, utvecklingshistorien för3C-siCåterspeglar de kontinuerliga framstegen inom halvledarmaterialvetenskap. På 1980-talet, Nishino et al. först erhöll 4um 3C-SiC tunna filmer på kiselsubstrat genom kemisk ångdeposition (CVD) [1], vilket lade grunden för 3C-SiC tunnfilmsteknologi.

1990 -talet var Golden Age för SIC -forskning. Cree Research Inc. lanserade 6H-SIC och 4H-SIC-chips 1991 respektive 1994 och främjade kommersialiseringen avSiC-halvledarenheter. Den tekniska framstegen under denna period lägger grunden för efterföljande forskning och tillämpning av 3C-SIC.

I början av 2000 -talet,inhemska kiselbaserade SiC-tunna filmerockså utvecklad i viss utsträckning. Ye Zhizhen et al. Beredda kiselbaserade SIC-tunna filmer av CVD under låga temperaturförhållanden 2002 [2]. 2001, en Xia et al. Beredda kiselbaserade SiC-tunna filmer genom magnetron sputtering vid rumstemperatur [3].

På grund av den stora skillnaden mellan gitterkonstanten för SI och SIC (cirka 20%) är emellertid defektdensiteten för 3C-SIC-epitaxialskiktet relativt hög, särskilt tvillingdefekten såsom DPB. För att minska gitterets missanpassning använder forskare 6H-SIC, 15R-SIC eller 4H-SIC på (0001) ytan som substrat för att odla 3C-SiC-epitaxialt skikt och minska defektdensiteten. 2012, Seki, Kazuaki et al. föreslog den dynamiska polymorfa epitaxikontrolltekniken, som inser den polymorfa selektiva tillväxten av 3C-SIC och 6H-SIC på 6H-SIC (0001) ytfrö genom att kontrollera övermättnaden [4-5]. År 2023 använde forskare som Xun Li CVD-metoden för att optimera tillväxten och processen och fick framgångsrikt en smidig 3C-SICepitaxialskiktutan DPB-defekter på ytan på ett 4H-SiC-substrat med en tillväxthastighet av 14um/h[6].

Kristallstruktur och applikationsfält för 3C SIC

Bland många SICD-polytyper är 3C-SIC den enda kubiska polytypen, även känd som ß-SIC. I denna kristallstruktur finns Si- och C-atomer i ett en-till-en-förhållande i gitteret, och varje atom är omgiven av fyra heterogena atomer och bildar en tetraedral strukturenhet med starka kovalenta bindningar. Det strukturella inslaget i 3C-SiC är att de Si-C-diatomiska skikten upprepade gånger arrangeras i storleksordningen ABC-ABC- ... och varje enhetscell innehåller tre sådana diatomiska skikt, som kallas C3-representation; Kristallstrukturen för 3C-SIC visas i figuren nedan:

Figur 1 Kristallstruktur av 3C-SIC

För närvarande är kisel (SI) det vanligaste halvledarmaterialet för kraftanordningar. På grund av SI: s prestanda är emellertid kiselbaserade kraftanordningar begränsade. Jämfört med 4H-SIC och 6H-SIC har 3C-SIC den högsta rumstemperaturteoretiska elektronmobiliteten (1000 cm · V-1 · S-1) och har fler fördelar i MOS-enhetsapplikationer. Samtidigt har 3C-SIC också utmärkta egenskaper såsom hög nedbrytningsspänning, god värmeledningsförmåga, hög hårdhet, bred bandgap, hög temperaturmotstånd och strålningsmotstånd. Därför har den stor potential inom elektronik, optoelektronik, sensorer och applikationer under extrema förhållanden, främjar utveckling och innovation av relaterad teknik och visar bred tillämpningspotential inom många områden:

För det första: Särskilt i miljöer med hög spänning, hög frekvens och hög temperatur gör den höga genombrottsspänningen och höga elektronrörligheten hos 3C-SiC det till ett idealiskt val för tillverkning av kraftenheter som MOSFET [7]. För det andra: Tillämpningen av 3C-SiC i nanoelektronik och mikroelektromekaniska system (MEMS) drar nytta av dess kompatibilitet med kiselteknologi, vilket möjliggör tillverkning av strukturer i nanoskala såsom nanoelektronik och nanoelektromekaniska enheter [8]. För det tredje: Som ett halvledarmaterial med brett bandgap är 3C-SiC lämplig för tillverkning avblå lysdioder(LED). Dess tillämpning inom belysning, visningsteknik och lasrar har väckt uppmärksamhet på grund av dess höga lysande effektivitet och enkla doping [9]. Fjärde: Samtidigt används 3C-SIC för att tillverka positionskänsliga detektorer, särskilt laserpunktpositionskänsliga detektorer baserade på den laterala fotovoltaiska effekten, som visar hög känslighet under nollföreningar och är lämpliga för exakta positionering [10] .

3. Beredningsmetod för 3C Sic heteroepitaxy

De viktigaste tillväxtmetoderna för 3C-SIC heteroepitaxy inkluderarkemisk ångavsättning (CVD), sublimationsepitaxi (SE), Liquid Phase Epitaxy (LPE), molekylär strålepitaxi (MBE), magnetronförstoftning, etc. CVD är den föredragna metoden för 3C-SiC epitaxi på grund av dess kontrollerbarhet och anpassningsförmåga (såsom temperatur, gasflöde, kammartryck och reaktionstid, vilket kan optimera kvaliteten på epitaxiellt skikt).

Kemisk ångavsättning (CVD): En sammansatt gas som innehåller Si- och C-element leds in i reaktionskammaren, värms upp och sönderdelas vid hög temperatur, och sedan fälls Si-atomer och C-atomer ut på Si-substratet, eller 6H-SiC, 15R- SiC, 4H-SiC-substrat [11]. Temperaturen för denna reaktion är vanligtvis mellan 1300-1500 ℃. Vanliga Si-källor inkluderar SiH4, TCS, MTS, etc., och C-källor inkluderar huvudsakligen C2H4, C3H8, etc., med H2 som bärargas. Tillväxtprocessen innefattar huvudsakligen följande steg: 1. Gasfasreaktionskällan transporteras till deponeringszonen i huvudgasflödet. 2. Gasfasreaktion sker i gränsskiktet för att generera tunnfilmsprekursorer och biprodukter. 3. Prekursorns utfällning, adsorption och krackning. 4. De adsorberade atomerna migrerar och rekonstruerar på substratytan. 5. De adsorberade atomerna kärnar och växer på substratytan. 6. Masstransporten av avgasen efter reaktionen in i huvudgasflödeszonen och tas ut ur reaktionskammaren. Figur 2 är ett schematiskt diagram av CVD [12].

Figur 2 Schematiskt diagram av CVD

Sublimationsepitaxi (SE)-metod: Figur 3 är ett experimentellt strukturdiagram av SE-metoden för framställning av 3C-SiC. Huvudstegen är nedbrytningen och sublimeringen av SiC-källan i högtemperaturzonen, transporten av sublimaten och reaktionen och kristalliseringen av sublimaten på substratytan vid en lägre temperatur. Detaljerna är följande: 6H-SiC- eller 4H-SiC-substrat placeras på toppen av degeln, ochSiC-pulveranvänds som SiC-råvara och placeras i botten avgrafitdegel. Degeln värms upp till 1900-2100 ℃ genom radiofrekvensinduktion, och substrattemperaturen kontrolleras till att vara lägre än SiC-källan, vilket bildar en axiell temperaturgradient inuti degeln, så att det sublimerade SiC-materialet kan kondensera och kristallisera på substratet för att bilda 3C-SiC heteroepitaxial.

Fördelarna med sublimeringsepitaxi är huvudsakligen i två aspekter: 1. Epitaxitemperaturen är hög, vilket kan minska kristalldefekter; 2. Den kan etsas för att få en etsad yta på atomnivå. Under tillväxtprocessen kan emellertid reaktionskällan inte justeras, och kisel-kol-förhållandet, tiden, olika reaktionssekvenser etc. kan inte ändras, vilket resulterar i en minskning av kontrollerbarheten av tillväxtprocessen.

Figur 3. Schematiskt diagram av SE-metoden för att odla 3C-SiC epitaxi

Molecular Beam Epitaxy (MBE) är en avancerad tunnfilmtillväxtteknologi, som är lämplig för växande 3C-SIC-epitaxiella lager på 4H-SIC eller 6H-SIC-underlag. Den grundläggande principen för denna metod är: i en ultralätt vakuummiljö, genom exakt kontroll av källgasen, upphettas elementen i det växande epitaxialskiktet för att bilda en riktningsatomstråle eller molekylstråle och incident på den uppvärmda substratytan för för Epitaxial tillväxt. De vanliga förutsättningarna för att växa 3C-SICepitaxiallagerpå 4H-SiC- eller 6H-SiC-substrat är: under kiselrika förhållanden exciteras grafen och källor av rent kol till gasformiga ämnen med en elektronkanon, och 1200-1350 ℃ används som reaktionstemperatur. 3C-SiC heteroepitaxiell tillväxt kan erhållas med en tillväxthastighet på 0,01-0,1 nms-1 [13].

Slutsats och utsikter

Genom kontinuerliga tekniska framsteg och djupgående mekanismforskning förväntas 3C-SiC heteroepitaxiella teknologin spela en viktigare roll i halvledarindustrin och främja utvecklingen av högeffektiva elektroniska enheter. Till exempel, att fortsätta utforska nya tillväxttekniker och strategier, såsom att införa HCl-atmosfär för att öka tillväxthastigheten med bibehållen låg defektdensitet, är riktningen för framtida forskning; djupgående forskning om defektbildningsmekanismen och utvecklingen av mer avancerade karakteriseringstekniker, såsom fotoluminescens och katodoluminescensanalys, för att uppnå mer exakt defektkontroll och optimera materialegenskaper; snabb tillväxt av högkvalitativ tjockfilm 3C-SiC är nyckeln till att möta behoven hos högspänningsenheter, och ytterligare forskning behövs för att övervinna balansen mellan tillväxthastighet och materiallikformighet; kombinerat med tillämpningen av 3C-SiC i heterogena strukturer som SiC/GaN, utforska dess potentiella tillämpningar i nya enheter som kraftelektronik, optoelektronisk integration och kvantinformationsbehandling.

Referenser:

[1] Nishino S, Hazuki Y, Matsunami H, et al. Kemisk ångavsättning av enstaka kristallina ß-SIC-filmer på kiselsubstrat med sputterat SiC-mellanlager [J]. Journal of the Electrochemical Society, 1980, 127 (12): 2674-2680.

[2] Ye Zhizhen, Wang Yadong, Huang Jingyun, et al. Forskning om lågtemperaturtillväxt av tunnfilmer av kiselkarbid [J] Journal of Vacuum Science and Technology, 2002, 022(001):58-60. .

[3] Anxia, ​​Zhuang Huizhao, Li Huaixiang, väntar.

[4] Seki K, Alexander, Kozawa S, et al. Polytypselektiv tillväxt av SiC genom övermättnadskontroll i lösningstillväxt[J]. Journal of Crystal Growth, 2012, 360:176-180.

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

[6] Li X, Wang G. CVD-tillväxt av 3C-SIC-skikt på 4H-SIC-underlag med förbättrad morfologi [J]. Solid State Communications, 2023: 371.

[7] Hou Kaiwen.

[8] Lars, Hiller, Thomas, et al. Väteffekter vid ECR-etsing av 3C-SIC (100) MESA-strukturer [J] .Material 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.

[12] Dong Lin Storarea multi-wafer epitaxial tillväxtteknologi och fysisk egenskapskarakterisering av kiselkarbid [D] University of Chinese Academy of Sciences, 2014.

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