Историја развоја 3Ц СиЦ

Као важан обликсилицијум карбида, историја развоја3Ц-СиCодражава континуирани напредак науке о полупроводничким материјалима. Током 1980-их, Нисхино ет ал. први је добио 4ум 3Ц-СиЦ танке филмове на силицијумским супстратима хемијским таложењем из паре (ЦВД) [1], што је поставило основу за технологију танких филмова 3Ц-СиЦ.

Деведесете су биле златно доба истраживања СиЦ-а. Црее Ресеарцх Инц. је лансирала 6Х-СиЦ и 4Х-СиЦ чипове 1991. и 1994. године, промовишући комерцијализацијуСиЦ полупроводнички уређаји. Технолошки напредак током овог периода поставио је основу за каснија истраживања и примену 3Ц-СиЦ.

Почетком 21. века,домаћи танки филмови СиЦ на бази силицијуматакође се у извесној мери развила. Ие Зхизхен ет ал. припремили танке филмове СиЦ на бази силицијума ЦВД-ом у условима ниске температуре 2002. године [2]. Године 2001, Ан Ксиа ет ал. припремљени танки филмови СиЦ на бази силицијума магнетронским распршивањем на собној температури [3].

Међутим, због велике разлике између константе решетке Си и СиЦ (око 20%), густина дефекта епитаксијалног слоја 3Ц-СиЦ је релативно висока, посебно двоструког дефекта као што је ДПБ. Да би смањили неусклађеност решетке, истраживачи користе 6Х-СиЦ, 15Р-СиЦ или 4Х-СиЦ на површини (0001) као супстрат за раст 3Ц-СиЦ епитаксијалног слоја и смањење густине дефекта. На пример, 2012. Секи, Казуаки ет ал. предложио је технологију контроле динамичке полиморфне епитаксије, која остварује полиморфни селективни раст 3Ц-СиЦ и 6Х-СиЦ на 6Х-СиЦ (0001) површинском семену контролисањем презасићености [4-5]. 2023. истраживачи као што је Ксун Ли користили су ЦВД методу да оптимизују раст и процес и успешно су добили глатку 3Ц-СиЦепитаксијални слојбез ДПБ дефеката на површини на 4Х-СиЦ супстрату при брзини раста од 14ум/х[6].

Кристална структура и поља примене 3Ц СиЦ

Међу многим СиЦД политиповима, 3Ц-СиЦ је једини кубни политип, такође познат као β-СиЦ. У овој кристалној структури, Си и Ц атоми постоје у односу један према један у решетки, а сваки атом је окружен са четири хетерогена атома, формирајући тетраедарску структурну јединицу са јаким ковалентним везама. Структурна карактеристика 3Ц-СиЦ је да су двоатомски слојеви Си-Ц више пута распоређени по редоследу АБЦ-АБЦ-…, а свака јединична ћелија садржи три таква двоатомска слоја, што се назива Ц3 репрезентација; кристална структура 3Ц-СиЦ је приказана на слици испод:

Слика 1 Кристална структура 3Ц-СиЦ

Тренутно је силицијум (Си) најчешће коришћени полупроводнички материјал за енергетске уређаје. Међутим, због перформанси Си, уређаји за напајање на бази силицијума су ограничени. У поређењу са 4Х-СиЦ и 6Х-СиЦ, 3Ц-СиЦ има највећу теоријску покретљивост електрона на собној температури (1000 цм·В-1·С-1) и има више предности у апликацијама МОС уређаја. У исто време, 3Ц-СиЦ такође има одлична својства као што су висок напон пробоја, добра топлотна проводљивост, висока тврдоћа, широк појас, отпорност на високе температуре и отпорност на зрачење. Због тога има велики потенцијал у електроници, оптоелектроници, сензорима и апликацијама у екстремним условима, промовишући развој и иновације сродних технологија и показује широк потенцијал примене у многим областима:

Прво: Нарочито у окружењима високог напона, високе фреквенције и високе температуре, високи напон пробоја и висока мобилност електрона 3Ц-СиЦ чине га идеалним избором за производњу енергетских уређаја као што је МОСФЕТ [7]. Друго: Примена 3Ц-СиЦ у наноелектроници и микроелектромеханичким системима (МЕМС) има користи од његове компатибилности са силицијумском технологијом, омогућавајући производњу структура наноразмера као што су наноелектроника и наноелектромеханички уређаји [8]. Треће: Као полупроводнички материјал са широким размаком, 3Ц-СиЦ је погодан за производњуплаве светлеће диоде(ЛЕД). Његова примена у осветљењу, технологији дисплеја и ласерима привукла је пажњу због високе светлосне ефикасности и лаког допинга [9]. Четврто: У исто време, 3Ц-СиЦ се користи за производњу детектора осетљивих на позицију, посебно детектора осетљивих на позицију ласерске тачке засноване на бочном фотонапонском ефекту, који показују високу осетљивост под условима нулте пристрасности и погодни су за прецизно позиционирање [10] .

3. Метода припреме 3Ц СиЦ хетероепитаксије

Главне методе раста 3Ц-СиЦ хетероепитаксије укључујухемијско таложење паре (ЦВД), сублимациона епитаксија (СЕ), епитаксија течне фазе (ЛПЕ), епитаксија молекуларним снопом (МБЕ), магнетронско распршивање, итд. ЦВД је пожељна метода за 3Ц-СиЦ епитаксију због своје контроле и прилагодљивости (као што су температура, проток гаса, притисак у комори и време реакције, што може оптимизовати квалитет епитаксијални слој).

Хемијско таложење паре (ЦВД): Једињени гас који садржи Си и Ц елементе се пропушта у реакциону комору, загрева се и разлаже на високој температури, а затим се атоми Си и Ц атоми преципитирају на Си супстрат, или 6Х-СиЦ, 15Р- СиЦ, 4Х-СиЦ супстрат [11]. Температура ове реакције је обично између 1300-1500 ℃. Уобичајени извори Си укључују СиХ4, ТЦС, МТС, итд., а Ц извори углавном укључују Ц2Х4, Ц3Х8, итд., са Х2 као носећим гасом. Процес раста углавном укључује следеће кораке: 1. Реакциони извор гасне фазе се транспортује у зону таложења у главном току гаса. 2. Реакција у гасној фази се дешава у граничном слоју да би се генерисали танкослојни прекурсори и нуспроизводи. 3. Процес таложења, адсорпције и пуцања прекурсора. 4. Адсорбовани атоми мигрирају и реконструишу се на површини супстрата. 5. Адсорбовани атоми стварају језгро и расту на површини супстрата. 6. Масовни транспорт отпадног гаса након реакције у зону главног тока гаса и извлачи се из реакционе коморе. Слика 2 је шематски дијаграм ЦВД [12].

Слика 2 Шематски дијаграм ЦВД

Метода сублимационе епитаксије (СЕ): Слика 3 је експериментални дијаграм структуре СЕ методе за припрему 3Ц-СиЦ. Главни кораци су разлагање и сублимација извора СиЦ у зони високе температуре, транспорт сублимата и реакција и кристализација сублимата на површини супстрата на нижој температури. Детаљи су следећи: 6Х-СиЦ или 4Х-СиЦ супстрат се поставља на врх лонца, иСиЦ прах високе чистоћесе користи као СиЦ сировина и поставља се на днографитни лончић. Лончић се загрева на 1900-2100℃ радиофреквентном индукцијом, а температура супстрата се контролише да буде нижа од извора СиЦ, формирајући аксијални температурни градијент унутар лонца, тако да сублимирани СиЦ материјал може кондензовати и кристализовати на подлози. да би се формирао 3Ц-СиЦ хетероепитаксијални.

Предности сублимационе епитаксије су углавном у два аспекта: 1. Температура епитаксије је висока, што може смањити дефекте кристала; 2. Може се урезати да би се добила урезана површина на атомском нивоу. Међутим, током процеса раста, извор реакције се не може подесити, а однос силицијум-угљеник, време, различите секвенце реакција итд. не могу да се мењају, што резултира смањењем контроле процеса раста.

Слика 3 Шематски дијаграм СЕ методе за узгој 3Ц-СиЦ епитаксије

Епитаксија молекуларним снопом (МБЕ) је напредна технологија раста танког филма, која је погодна за узгој 3Ц-СиЦ епитаксијалних слојева на 4Х-СиЦ или 6Х-СиЦ супстратима. Основни принцип ове методе је: у окружењу ултра-високог вакуума, кроз прецизну контролу изворног гаса, елементи растућег епитаксијалног слоја се загревају да формирају усмерени атомски или молекуларни сноп и упадају на загрејану површину супстрата за епитаксијални раст. Уобичајени услови за узгој 3Ц-СиЦепитаксијални слојевина 4Х-СиЦ или 6Х-СиЦ супстратима су: у условима богатим силицијумом, графен и извори чистог угљеника се побуђују у гасовите супстанце помоћу електронског топа, а 1200-1350℃ се користи као температура реакције. Хетероепитаксијални раст 3Ц-СиЦ може се добити при брзини раста од 0,01-0,1 нмс-1 [13].

Закључак и проспект

Кроз континуирани технолошки напредак и дубинско истраживање механизама, очекује се да ће 3Ц-СиЦ хетероепитаксијална технологија играти важнију улогу у индустрији полупроводника и промовисати развој електронских уређаја високе ефикасности. На пример, наставак истраживања нових техника и стратегија раста, као што је увођење ХЦл атмосфере за повећање стопе раста уз одржавање ниске густине дефеката, је правац будућих истраживања; дубинско истраживање механизма формирања дефекта и развој напреднијих техника карактеризације, као што су фотолуминисценцијска и катодолуминисценцијска анализа, како би се постигла прецизнија контрола дефеката и оптимизовала својства материјала; брз раст висококвалитетног дебелог филма 3Ц-СиЦ је кључ за задовољавање потреба високонапонских уређаја, а потребна су даља истраживања како би се превазишла равнотежа између брзине раста и униформности материјала; у комбинацији са применом 3Ц-СиЦ у хетерогеним структурама као што је СиЦ/ГаН, истражити његове потенцијалне примене у новим уређајима као што су енергетска електроника, оптоелектронска интеграција и квантна обрада информација.

Референце:

[1] Нисхино С, Хазуки И, Матсунами Х, ет ал. Хемијско таложење паре монокристалних β-СиЦ филмова на силицијумској подлози са распршеним СиЦ међуслојем [Ј]. Јоурнал оф Тхе Елецтроцхемицал Социети, 1980, 127(12):2674-2680.

[2] Ие Зхизхен, Ванг Иадонг, Хуанг Јингиун, ет ал. Истраживање на ниским температурама танких филмова на бази силицијум-карбида [Ј Јоурнал оф Вацуум Сциенце анд Тецхнологи, 2002, 022(001):58-60]. .

[3] Ан Ксиа, Зхуанг Хуизхао, Ли Хуаикианг, ет ал. Припрема танких филмова нано-СиЦ на (111) Си супстрату [Ј Јоурнал оф Схандонг Нормал Университи: Натурал Сциенце Едитион, 2001: 382-384]. ..

[4] Секи К, Алекандер, Козава С, ет ал. Политип-селективни раст СиЦ контролом презасићења у расту раствора [Ј]. Јоурнал оф Цристал Гровтх, 2012, 360:176-180.

[5] Цхен Иао, Зхао Фукианг, Зху Бингкиан, Хе Схуаи, Преглед развоја уређаја за напајање од силицијум карбида у земљи и иностранству [Ј.

[6] Ли Кс , Ванг Г .ЦВД раст слојева 3Ц-СиЦ на 4Х-СиЦ супстратима са побољшаном морфологијом [Ј].Солид Стате Цоммуницатионс, 2023:371.

[7] Хоу Каивен Истраживање супстрата са узорком Си и његова примена у расту 3Ц-СиЦ [Д.

[8] Ларс, Хилер, Томас и др. Ефекти водоника у ЕЦР-јеткању 3Ц-СиЦ(100) Меса структура[Ј]. Форум за науку о материјалима, 2014.

[9] Ксу Кингфанг Припрема танких филмова 3Ц-СиЦ ласерским хемијским таложењем [Д] Технолошки универзитет у Вухану.

[10] Фоисал АРМ, Нгуиен Т, Динх ТК, ет ал.3Ц-СиЦ/Си хетероструктура: одлична платформа за детекторе осетљиве на положај засноване на фотонапонском ефекту[Ј].АЦС Апплиед Материалс & Интерфацес, 2019: 40987.

[11] Ксин Бин 3Ц/4Х-СиЦ хетероепитаксијални раст на основу ЦВД процеса: карактеризација дефеката и еволуција [Д].

[12] Донг Лин епитаксијална технологија раста велике површине и физичка карактеристика силицијум карбида [Д], 2014.

[13] Диани М, Симон Л, Кублер Л, ет ал. Раст кристала политипа 3Ц-СиЦ на 6Х-СиЦ(0001) супстрату[Ј]. Јоурнал оф Цристал Гровтх, 2002, 235(1):95-102.