Хетероепитаксија на 3C-SiC: Преглед

1. Историски развој на 3C-SiC

Развојот на 3C-SiC, значаен политип на силициум карбид, го одразува континуираниот напредок на науката за полупроводнички материјали. Во 1980-тите, Нишино и сор. прво постигна 3C-SiC филм со дебелина од 4 μm на силициумска подлога користејќи хемиско таложење на пареа (CVD)[1], поставувајќи ја основата за технологијата на тенок филм 3C-SiC.

1990-тите го одбележаа златното доба за истражување на SiC. Лансирањето на чипови 6H-SiC и 4H-SiC од Cree Research Inc. во 1991 и 1994 година, соодветно, ја поттикна комерцијализацијата на полупроводничките уреди SiC. Овој технолошки напредок ја постави основата за последователно истражување и примена на 3C-SiC.

На почетокот на 21 век, SiC филмовите базирани на силикон, исто така, забележаа значителен напредок во Кина. Је Жижен и сор. фабрикуваше SiC филмови на силиконски подлоги користејќи CVD на ниски температури во 2002 година[2], додека An Xia et al. постигна слични резултати користејќи магнетронско прскање на собна температура во 2001 година[3].

Сепак, големата неусогласеност на решетката помеѓу Si и SiC (приближно 20%) доведе до висока густина на дефекти во епитаксијалниот слој 3C-SiC, особено границите за двојно позиционирање (DPBs). За да го ублажат ова, истражувачите избраа супстрати како 6H-SiC, 15R-SiC или 4H-SiC со (0001) ориентација за растење на 3C-SiC епитаксијални слоеви, со што се намалува густината на дефектот. На пример, во 2012 година, Секи, Казуаки и сор. предложи техника за контрола на кинетичкиот полиморфизам, постигнувајќи селективен раст на 3C-SiC и 6H-SiC на семето 6H-SiC(0001) со контролирање на презаситеноста[4-5]. Во 2023 година, Џун Ли и сор. успешно добиени мазни 3C-SiC епитаксијални слоеви без DPB на 4H-SiC подлоги користејќи оптимизиран CVD раст со брзина од 14 μm/h[6].

2. Кристална структура и апликации на 3C-SiC

Меѓу бројните политипови на SiC, 3C-SiC, исто така познат како β-SiC, е единствениот кубен политип. Во оваа кристална структура, атомите Si и C постојат во сооднос еден спрема еден, формирајќи тетраедрална единица клетка со силни ковалентни врски. Структурата се карактеризира со Si-C двослојни подредени во секвенца ABC-ABC-…, при што секоја единица ќелија содржи три такви двослојни, означени со ознаката C3. Слика 1 ја илустрира кристалната структура на 3C-SiC.

                                                                                                                                                                           Слика 1. Кристална структура на 3C-SiC

Во моментов, силиконот (Si) е најшироко користен полупроводнички материјал за уреди за напојување. Сепак, неговите вродени ограничувања ги ограничуваат неговите перформанси. Во споредба со 4H-SiC и 6H-SiC, 3C-SiC поседува највисока теоретска подвижност на електрони на собна температура (1000 cm2·V-1·s-1), што го прави поповолен за MOSFET апликациите. Дополнително, неговиот висок пробивен напон, одлична топлинска спроводливост, висока цврстина, широк опсег, отпорност на висока температура и отпорност на радијација го прават 3C-SiC многу ветувачки за апликации во електроника, оптоелектроника, сензори и екстремни средини:

Апликации со висока моќност, висока фреквенција и висока температура: високиот пробивен напон на 3C-SiC и високата подвижност на електроните го прават идеален за производство на моќни уреди како MOSFET, особено во опкружувања со тешки барања[7].

Наноелектроника и микроелектромеханички системи (MEMS): Неговата компатибилност со силиконската технологија овозможува изработка на нано структури, овозможувајќи апликации во наноелектрониката и MEMS уредите[8].

Оптоелектроника:Како полупроводнички материјал со широк опсег, 3C-SiC е погоден за диоди што емитуваат сина светлина (LED). Неговата висока прозрачна ефикасност и леснотијата на допинг го прават привлечен за апликации во осветлување, технологии за прикажување и ласери[9].

Сензори:3C-SiC се користи во детектори чувствителни на позиција, особено во детектори чувствителни на позиција на дамки ласерски базирани на страничниот фотоволтаичен ефект. Овие детектори покажуваат висока чувствителност во услови на нулта пристрасност, што ги прави погодни за апликации за прецизно позиционирање[10].

3. Методи на подготовка за 3C-SiC хетероепитакси

Вообичаените методи за 3C-SiC хетероепитаксија вклучуваат хемиско таложење на пареа (CVD), сублимациска епитаксија (SE), епитаксија на течна фаза (LPE), епитаксија со молекуларен зрак (MBE) и распрскување со магнетрон. CVD е префериран метод за 3C-SiC епитаксија поради неговата контролираност и приспособливост во однос на температурата, протокот на гас, притисокот во комората и времето на реакција, што овозможува оптимизација на квалитетот на епитаксиалниот слој.

Хемиско таложење на пареа (CVD):Гасовитите соединенија кои содржат Si и C се внесуваат во комората за реакција и се загреваат до високи температури, што доведува до нивно распаѓање. Атомите Si и C потоа се депонираат на супстрат, обично Si, 6H-SiC, 15R-SiC или 4H-SiC [11]. Оваа реакција обично се јавува помеѓу 1300-1500°C. Вообичаените извори на Si вклучуваат SiH4, TCS и MTS, додека изворите на C се првенствено C2H4 и C3H8, со H2 како гас-носител. Слика 2 прикажува шема на CVD процесот[12].

                                                                                                                                                               Слика 2. Шема на CVD процесот

Сублимација епитаксија (SE):Во овој метод, супстрат 6H-SiC или 4H-SiC се поставува на врвот на садот, со високо-чистотен SiC прашок како изворен материјал на дното. Садот се загрева до 1900-2100°C преку радиофреквентна индукција, одржувајќи ја температурата на подлогата пониска од температурата на изворот за да се создаде аксијален температурен градиент. Ова му овозможува на сублимираниот SiC да се кондензира и кристализира на подлогата, формирајќи ја хетероепитаксијата 3C-SiC.

Молекуларна епитаксија на зрак (MBE):Оваа напредна техника за растење со тенок слој е погодна за одгледување 3C-SiC епитаксијални слоеви на 4H-SiC или 6H-SiC подлоги. Под ултра висок вакуум, прецизната контрола на изворните гасови овозможува формирање на насочени атомски или молекуларни зраци од составните елементи. Овие греди се насочени кон загреаната површина на подлогата за епитаксијален раст.

4. Заклучок и Outlook

Со континуирани технолошки достигнувања и длабински механички студии, хетероепитаксијата 3C-SiC е подготвена да игра сè повеќе витална улога во индустријата на полупроводници, поттикнувајќи го развојот на енергетски ефикасни електронски уреди. Истражувањето на новите техники на раст, како што е воведувањето атмосфери на HCl за подобрување на стапките на раст додека се одржуваат ниски густини на дефекти, е ветувачка авенија за идни истражувања. Понатамошното истражување на механизмите за формирање дефекти и развојот на напредни техники за карактеризација ќе овозможат прецизна контрола на дефектите и оптимизирани својства на материјалот. Брзиот раст на висококвалитетните, дебели 3C-SiC филмови е од клучно значење за задоволување на барањата на уредите со висок напон, што бара дополнително истражување за да се реши рамнотежата помеѓу стапката на раст и униформноста на материјалот. Со искористување на апликациите на 3C-SiC во хетероструктури како SiC/GaN, може целосно да се истражи неговиот потенцијал во нови уреди како електроника за електрична енергија, оптоелектронска интеграција и квантна обработка на информации.

Референци:

[1] Нишино С, Хазуки И, Мацунами Х, и сор. Хемиско таложење на пареа на единечни кристални β-SiC филмови на силиконска подлога со распрскан SiC среден слој[J]. Весник на Електрохемиското друштво, 1980, 127(12):2674-2680.

[2] Ye Zhizhen, Wang Yadong, Huang Jingyun и сор. .

[3] An Xia, Zhuang Huizhao, Li Huaixiang, et al ..

[4] Секи К, Александар, Козава С, и др. Политип-селективен раст на SiC со контрола на презаситеност при раст на растворот[J]. Весник на кристален раст, 2012, 360: 176-180.

[5] Чен Јао, Жао Фучијанг, Жу Бингксиан, Хе Шуаи Преглед на развојот на силициумските уреди за напојување дома и во странство [Ј] Технологија на возила и моќност, 2020 година.

[6] Li X, Wang G. CVD раст на 3C-SiC слоеви на 4H-SiC супстрати со подобрена морфологија[J]. Solid State Communications, 2023:371.

[7] Hou Kaiwen Истражување на подлогата со моделот Si и неговата примена во 3C-SiC раст [D].

[8]Ларс, Хилер, Томас и сор. Ефекти на водород во ECR-офорт на 3C-SiC(100) Mesa Structures[J]. Форум за наука за материјали, 2014 година.

[9] Ксу Кингфанг Подготовка на 3C-SiC тенки фолии со ласерско хемиско таложење на пареа [D].

[10] Foisal A R M, Nguyen T, Dinh T K, et al.3C-SiC/Si Хетероструктура: Одлична платформа за детектори чувствителни на положба врз основа на фотоволтаичен ефект[J]. Acs Applied Materials & Interfaces, 2019: 40987.

[11] 3C/4H-SiC хетероепитаксијален раст врз основа на CVD: карактеризација и еволуција на дефекти [D].

[12] Технологија на епитаксијален раст со повеќе обланди и карактеризација на силициум карбид со голема површина [D].

[13] Диани М, Сајмон Л, Кублер Л и др. Кристален раст на политипот 3C-SiC на подлогата 6H-SiC(0001)[J]. Весник на кристален раст, 2002, 235 (1): 95-102.