Udviklingshistorien for 3C SiC

Som en vigtig form forsiliciumcarbid, udviklingshistorien for3C-SiCafspejler de kontinuerlige fremskridt inden for halvledermaterialevidenskab. I 1980'erne, Nishino et al. først opnåede 4um 3C-SiC tyndfilm på siliciumsubstrater ved kemisk dampaflejring (CVD) [1], som lagde grundlaget for 3C-SiC tyndfilmteknologi.

1990'erne var SiC-forskningens guldalder. Cree Research Inc. lancerede 6H-SiC- og 4H-SiC-chips i henholdsvis 1991 og 1994, hvilket fremmer kommercialiseringen afSiC halvlederenheder. De teknologiske fremskridt i denne periode lagde grundlaget for den efterfølgende forskning og anvendelse af 3C-SiC.

I begyndelsen af ​​det 21. århundrede,indenlandske silicium-baserede 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 anvendelsesområder for 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 Si's ydeevne er siliciumbaserede strømenheder dog begrænsede. Sammenlignet med 4H-SiC og 6H-SiC har 3C-SiC den højeste teoretiske elektronmobilitet ved stuetemperatur (1000 cm·V-1·S-1), og har flere fordele i MOS-enhedsapplikationer. Samtidig har 3C-SiC også fremragende egenskaber såsom høj gennembrudsspænding, god varmeledningsevne, høj hårdhed, bred båndgab, høj temperaturbestandighed og strålingsmodstand. Derfor har det et stort potentiale inden for elektronik, optoelektronik, sensorer og applikationer under ekstreme forhold, hvilket fremmer udviklingen og innovationen af ​​relaterede teknologier og viser et bredt anvendelsespotentiale på mange områder:

For det første: Især i miljøer med høj spænding, høj frekvens og høje temperaturer gør den høje gennembrudsspænding og høje elektronmobilitet 3C-SiC det til et ideelt valg til fremstilling af strømenheder såsom MOSFET [7]. For det andet: Anvendelsen af ​​3C-SiC i nanoelektronik og mikroelektromekaniske systemer (MEMS) drager fordel af dets kompatibilitet med siliciumteknologi, hvilket tillader fremstilling af nanoskalastrukturer såsom nanoelektronik og nanoelektromekaniske enheder [8]. For det tredje: Som et halvledermateriale med bred båndgab er 3C-SiC velegnet til fremstilling afblå lysdioder(LED'er). Dens anvendelse inden for belysning, displayteknologi og lasere har tiltrukket sig opmærksomhed på grund af dens høje lyseffektivitet og nemme doping [9]. For det fjerde: Samtidig bruges 3C-SiC til at fremstille positionsfølsomme detektorer, især laserpunkt positionsfølsomme detektorer baseret på den laterale fotovoltaiske effekt, som viser høj følsomhed under nul bias forhold og er velegnede 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), molekylær stråleepitaksi (MBE), magnetronforstøvning osv. CVD er den foretrukne metode til 3C-SiC epitaksi på grund af dens kontrollerbarhed og tilpasningsevne (såsom temperatur, gasflow, kammertryk og reaktionstid, hvilket kan optimere kvaliteten af epitaksialt lag).

Kemisk dampaflejring (CVD): En sammensat gas indeholdende Si- og C-elementer ledes ind i reaktionskammeret, opvarmes og nedbrydes ved høj temperatur, og derefter udfældes Si-atomer og C-atomer på Si-substratet, eller 6H-SiC, 15R- SiC, 4H-SiC substrat [11]. Temperaturen af ​​denne reaktion er normalt mellem 1300-1500 ℃. Almindelige Si-kilder omfatter SiH4, TCS, MTS osv., og C-kilder omfatter hovedsageligt C2H4, C3H8 osv., med H2 som bæregassen. Vækstprocessen omfatter hovedsageligt følgende trin: 1. Gasfasereaktionskilden transporteres til deponeringszonen i hovedgasstrømmen. 2. Gasfasereaktion forekommer i grænselaget for at generere tyndfilm-precursorer og biprodukter. 3. Prækursorens udfældnings-, adsorptions- og revneproces. 4. De adsorberede atomer migrerer og rekonstruerer på substratoverfladen. 5. De adsorberede atomer nukleerer og vokser på substratoverfladen. 6. Massetransporten af ​​røggassen efter reaktionen ind i hovedgasstrømningszonen og tages ud af reaktionskammeret. Figur 2 er et skematisk diagram af 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, oghøjrent SiC-pulverbruges som SiC-råmateriale og placeres i bunden afgrafitdigel. Digelen opvarmes til 1900-2100 ℃ ved radiofrekvensinduktion, og substrattemperaturen styres til at være lavere end SiC-kilden, hvilket danner en aksial temperaturgradient inde i diglen, så det sublimerede SiC-materiale kan kondensere og krystallisere på substratet at danne 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. Men under vækstprocessen kan reaktionskilden 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 af SE-metoden til dyrkning af 3C-SiC-epitaksi

Molecular beam epitaxy (MBE) er en avanceret tyndfilmvækstteknologi, som er velegnet til dyrkning af 3C-SiC epitaksiale lag på 4H-SiC eller 6H-SiC substrater. Det grundlæggende princip for denne metode er: i et miljø med ultrahøjt vakuum, gennem præcis styring af kildegassen, opvarmes elementerne i det voksende epitaksiale lag til at danne en retningsbestemt atomstråle eller molekylær stråle og falder ind på den opvarmede substratoverflade for epitaksial vækst. De fælles betingelser for dyrkning af 3C-SiCepitaksiale lagpå 4H-SiC eller 6H-SiC substrater er: under siliciumrige forhold exciteres grafen og rene kulstofkilder til gasformige stoffer med en elektronkanon, og 1200-1350 ℃ bruges som reaktionstemperatur. 3C-SiC heteroepitaxial vækst kan opnås ved en væksthastighed på 0,01-0,1 nms-1 [13].

Konklusion og udsigt

Gennem kontinuerlige teknologiske fremskridt og dybdegående mekanismeforskning forventes 3C-SiC heteroepitaxial teknologi at spille en vigtigere rolle i halvlederindustrien og fremme udviklingen af ​​højeffektive elektroniske enheder. For eksempel er det retningen for fremtidig forskning at fortsætte med at udforske nye vækstteknikker og -strategier, såsom at indføre HCl-atmosfære for at øge væksthastigheden og samtidig opretholde lav defekttæthed; dybdegående forskning i defektdannelsesmekanismen og udvikling af mere avancerede karakteriseringsteknikker, såsom fotoluminescens og katodoluminescensanalyse, for at opnå mere præcis defektkontrol og optimere materialeegenskaber; hurtig vækst af højkvalitets tykfilm 3C-SiC er nøglen til at opfylde behovene for højspændingsenheder, og der er behov for yderligere forskning for at overvinde balancen mellem væksthastighed og materialeensartethed; kombineret med anvendelsen af ​​3C-SiC i heterogene strukturer såsom SiC/GaN, udforske dets potentielle anvendelser i 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. Forskning i lavtemperaturvækst af tynde siliciumcarbidfilm [J] Journal of Vacuum Science and Technology, 2002, 022(001):58-60. .

[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, He Shuai Oversigt over udviklingen af ​​siliciumkarbidkraftenheder i ind- og udland [J] Vehicle and Power Technology, 2020: 49-54.

[6] Li X, Wang G. CVD vækst af 3C-SiC lag på 4H-SiC substrater med forbedret morfologi[J].Solid State Communications, 2023:371.

[7] Hou Kaiwen Forskning om Si-mønstret substrat og dets anvendelse i 3C-SiC-vækst [D] Xi'an University of Technology, 2018.

[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 Forberedelse af 3C-SiC tynde film ved laserkemisk dampaflejring [D] Wuhan University of Technology, 2016.

[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 Epitaksial vækstteknologi med stort område og fysisk egenskabskarakterisering af siliciumcarbid [D] University of Chinese Academy of Sciences, 2014.

[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.