Історія розвитку 3C SiC

Як важлива формакарбід кремнію, історія розвитку3C-SiCвідображає постійний прогрес напівпровідникового матеріалознавства. У 1980-х роках Nishino та ін. вперше отримав 4 мкм тонкі плівки 3C-SiC на кремнієвих підкладках методом хімічного осадження з парової фази (CVD) [1], що заклало основу технології тонких плівок 3C-SiC.

1990-ті роки були золотим віком досліджень SiC. Компанія Cree Research Inc. випустила мікросхеми 6H-SiC і 4H-SiC у 1991 і 1994 роках відповідно, сприяючи комерціалізаціїНапівпровідникові прилади SiC. Технологічний прогрес у цей період заклав основу для подальших досліджень і застосування 3C-SiC.

На початку 21 ст.вітчизняні тонкі плівки SiC на основі кремніютакож певною мірою розвинулася. Ye Zhizhen та ін. отримано тонкі плівки SiC на основі кремнію методом CVD в умовах низьких температур у 2002 р. [2]. У 2001 році An Xia та ін. отримані тонкі плівки SiC на основі кремнію методом магнетронного розпилення при кімнатній температурі [3].

Однак через велику різницю між постійною гратки Si та SiC (близько 20%) щільність дефектів епітаксійного шару 3C-SiC є відносно високою, особливо подвійного дефекту, такого як DPB. Щоб зменшити невідповідність решітки, дослідники використовують 6H-SiC, 15R-SiC або 4H-SiC на поверхні (0001) як підкладку для вирощування епітаксійного шару 3C-SiC і зменшення щільності дефектів. Наприклад, у 2012 році Seki, Kazuaki et al. запропонував технологію контролю динамічної поліморфної епітаксії, яка реалізує поліморфний селективний ріст 3C-SiC та 6H-SiC на поверхневій затравці 6H-SiC (0001) шляхом контролю перенасичення [4-5]. У 2023 році такі дослідники, як Сюнь Лі, використали метод CVD для оптимізації росту та процесу та успішно отримали гладкий 3C-SiCепітаксіальний шарбез дефектів DPB на поверхні на підкладці 4H-SiC зі швидкістю росту 14 мкм/год[6].

Кристалічна структура та області застосування 3C SiC

Серед багатьох політипів SiCD 3C-SiC є єдиним кубічним політипом, також відомим як β-SiC. У цій кристалічній структурі атоми Si та C існують у співвідношенні один до одного в решітці, і кожен атом оточений чотирма гетерогенними атомами, утворюючи тетраедричну структурну одиницю з міцними ковалентними зв’язками. Структурна особливість 3C-SiC полягає в тому, що двоатомні шари Si-C багаторазово розташовані в порядку ABC-ABC-…, і кожна елементарна комірка містить три таких двоатомних шари, що називається представленням C3; кристалічна структура 3C-SiC показана на малюнку нижче:

Рисунок 1. Кристалічна структура 3C-SiC

В даний час кремній (Si) є найбільш часто використовуваним напівпровідниковим матеріалом для силових пристроїв. Однак, через продуктивність кремнію, потужність пристроїв на основі кремнію обмежена. Порівняно з 4H-SiC і 6H-SiC, 3C-SiC має найвищу теоретичну рухливість електронів при кімнатній температурі (1000 см·В-1·с-1) і має більше переваг у додатках MOS-пристроїв. У той же час 3C-SiC також має чудові властивості, такі як висока напруга пробою, хороша теплопровідність, висока твердість, широка заборонена зона, стійкість до високих температур і стійкість до радіації. Таким чином, він має великий потенціал в електроніці, оптоелектроніці, датчиках і застосуваннях в екстремальних умовах, сприяючи розвитку та інноваціям пов’язаних технологій і демонструючи широкий потенціал застосування в багатьох областях:

По-перше: особливо в умовах високої напруги, високої частоти та високої температури, висока напруга пробою та висока рухливість електронів 3C-SiC роблять його ідеальним вибором для виробництва силових пристроїв, таких як MOSFET [7]. По-друге: застосування 3C-SiC в наноелектроніці та мікроелектромеханічних системах (MEMS) виграє від його сумісності з кремнієвою технологією, що дозволяє виготовляти нанорозмірні структури, такі як наноелектроніка та наноелектромеханічні пристрої [8]. По-третє: як широкозонний напівпровідниковий матеріал 3C-SiC підходить для виготовленнясині світлодіоди(світлодіоди). Його застосування в освітленні, технології відображення та лазерах привернуло увагу завдяки високій світловій ефективності та легкому легуванню [9]. По-четверте: у той же час 3C-SiC використовується для виготовлення позиційно-чутливих детекторів, особливо лазерних точкових позиційно-чутливих детекторів на основі латерального фотоелектричного ефекту, які демонструють високу чутливість за умов нульового зміщення та підходять для точного позиціонування [10] .

3. Методика отримання гетероепітаксії 3C SiC

Основні методи вирощування гетероепітаксії 3C-SiC включаютьхімічне осадження з парової фази (CVD), сублімаційна епітаксія (SE), рідкофазна епітаксія (LPE)молекулярно-променева епітаксія (MBE), магнетронне розпилення тощо. CVD є кращим методом епітаксії 3C-SiC завдяки його керованості та адаптивності (такі як температура, потік газу, тиск у камері та час реакції, які можуть оптимізувати якість епітаксійний шар).

Хімічне осадження з парової фази (CVD): складний газ, що містить елементи Si та C, пропускається в реакційну камеру, нагрівається та розкладається при високій температурі, а потім атоми Si та атоми C осідають на підкладку Si або 6H-SiC, 15R- SiC, підкладка 4H-SiC [11]. Температура цієї реакції зазвичай становить 1300-1500 ℃. Звичайні джерела Si включають SiH4, TCS, MTS тощо, а джерела C в основному включають C2H4, C3H8 тощо, з H2 як газ-носій. Процес вирощування в основному включає наступні етапи: 1. Джерело газофазної реакції транспортується до зони осадження в основному потоці газу. 2. Реакція газової фази відбувається в прикордонному шарі з утворенням тонких плівкових прекурсорів і побічних продуктів. 3. Процес осадження, адсорбції та крекінгу прекурсора. 4. Адсорбовані атоми мігрують і перебудовуються на поверхні підкладки. 5. Адсорбовані атоми зароджуються і ростуть на поверхні підкладки. 6. Масовий транспорт відпрацьованого газу після реакції в основну зону газового потоку і виведення з реакційної камери. На рисунку 2 представлена ​​схематична діаграма ССЗ [12].

Рисунок 2. Схематична діаграма ССЗ

Метод сублімаційної епітаксії (SE): На малюнку 3 представлена ​​експериментальна структурна діаграма методу SE для отримання 3C-SiC. Основними етапами є розкладання та сублімація джерела SiC у високотемпературній зоні, транспортування субліматів, а також реакція та кристалізація субліматів на поверхні підкладки при нижчій температурі. Подробиці такі: підкладка 6H-SiC або 4H-SiC розміщується на верхній частині тигля, іпорошок SiC високої чистотивикористовується як SiC сировина і поміщається на днографітовий тигель. Тигель нагрівається до 1900-2100 ℃ за допомогою радіочастотної індукції, а температура підкладки контролюється так, щоб вона була нижчою, ніж джерело SiC, утворюючи осьовий градієнт температури всередині тигля, щоб сублімований матеріал SiC міг конденсуватися та кристалізуватися на підкладці. для формування гетероепітаксіального 3C-SiC.

Переваги сублімаційної епітаксії в основному полягають у двох аспектах: 1. Висока температура епітаксії, що може зменшити дефекти кристалів; 2. Його можна травити, щоб отримати протравлену поверхню на атомному рівні. Однак під час процесу росту джерело реакції не можна регулювати, а співвідношення кремній-вуглець, час, різні послідовності реакцій тощо неможливо змінити, що призводить до зниження керованості процесу росту.

Рисунок 3. Схематична діаграма методу SE для вирощування епітаксії 3C-SiC

Молекулярно-променева епітаксія (MBE) — це передова технологія вирощування тонкої плівки, яка підходить для вирощування епітаксійних шарів 3C-SiC на підкладках 4H-SiC або 6H-SiC. Основний принцип цього методу полягає в тому, що в середовищі надвисокого вакууму за допомогою точного контролю вихідного газу елементи зростаючого епітаксійного шару нагріваються для формування спрямованого атомного або молекулярного пучка, який падає на нагріту поверхню підкладки протягом епітаксіальний ріст. Загальні умови вирощування 3C-SiCепітаксійні шарина підкладках 4H-SiC або 6H-SiC: в умовах, багатих кремнієм, джерела графену та чистого вуглецю перетворюються на газоподібні речовини за допомогою електронної гармати, і 1200-1350 ℃ використовується як температура реакції. Гетероепітаксіальний ріст 3C-SiC можна отримати зі швидкістю росту 0,01-0,1 нмс-1 [13].

Висновок і перспектива

Очікується, що завдяки безперервному технологічному прогресу та поглибленим дослідженням механізмів гетероепітаксіальна технологія 3C-SiC відіграватиме більш важливу роль у напівпровідниковій промисловості та сприятиме розробці високоефективних електронних пристроїв. Наприклад, продовження вивчення нових методів і стратегій зростання, таких як введення атмосфери HCl для збільшення швидкості росту при збереженні низької щільності дефектів, є напрямком майбутніх досліджень; поглиблене дослідження механізму утворення дефектів і розробка більш просунутих методів визначення характеристик, таких як фотолюмінесцентний і катодолюмінесцентний аналіз, для досягнення більш точного контролю дефектів і оптимізації властивостей матеріалу; швидке зростання високоякісної товстої плівки 3C-SiC є ключем до задоволення потреб високовольтних пристроїв, і необхідні подальші дослідження, щоб подолати баланс між швидкістю росту та однорідністю матеріалу; у поєднанні із застосуванням 3C-SiC у гетерогенних структурах, таких як SiC/GaN, вивчити його потенційні застосування в нових пристроях, таких як силова електроніка, оптоелектронна інтеграція та квантова обробка інформації.

Література:

[1] Nishino S, Hazuki Y, Matsunami H та ін. Хімічне осадження з парової фази монокристалічних плівок β-SiC на кремнієву підкладку з напиленим проміжним шаром SiC[J]. Журнал Електрохімічного товариства, 1980, 127(12):2674-2680.

[2] Ye Zhizhen, Wang Yadong, Huang Jingyun та ін. Дослідження низькотемпературного росту тонких плівок на основі карбіду кремнію [Journal of Vacuum Science and Technology], 2002, 022(001):58-60. .

[3] An Xia, Zhuang Huizhao, Li Huaixiang, et al. Отримання тонких плівок нано-SiC магнетронним напиленням на підкладку (111) Si [J]. Journal of Shandong Normal University, 2001: 382-384 ..

[4] Seki K, Alexander, Kozawa S та ін. Політипно-селективне зростання SiC шляхом контролю перенасичення при зростанні розчину [J]. Journal of Crystal Growth, 2012, 360:176-180.

[5] Chen Yao, Zhao Fuqiang, Zhu Bingxian, He Shuai Огляд розвитку силових пристроїв з карбіду кремнію в країні та за кордоном [J].

[6] Li X, Wang G. CVD-зростання шарів 3C-SiC на підкладках 4H-SiC із покращеною морфологією [J].Solid State Communications, 2023:371.

[7] Hou Kaiwen Дослідження кремнієвої підкладки та її застосування у вирощуванні 3C-SiC [D]. Сіаньський технологічний університет, 2018.

[8] Ларс, Гіллер, Томас та ін. Ефекти водню в ECR-Etching 3C-SiC(100) Mesa Structures [J]. Forum Materials Science, 2014.

[9] Xu Qingfang. Отримання тонких плівок 3C-SiC методом лазерного хімічного осадження [D]. Технологічний університет Уханя, 2016.

[10] Foisal ARM, Nguyen T, Dinh TK, 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. Гетероепітаксіальний ріст 3C/4H-SiC на основі процесу CVD: характеристика та еволюція дефектів [D]. Сіаньський університет електронних наук і технологій.

[12] Dong Lin. Технологія епітаксійного вирощування великої площі та характеристика фізичних властивостей карбіду кремнію [D]. Університет Китайської академії наук, 2014.

[13] Діані М., Саймон Л., Кюблер Л. та ін. Ріст кристалів політипу 3C-SiC на підкладці 6H-SiC(0001) [J]. Journal of Crystal Growth, 2002, 235(1):95-102.