3С SiC даму тарихы

Маңызды нысаны ретіндекремний карбиді, даму тарихы3C-SiCжартылай өткізгіш материалтану ғылымының үздіксіз прогресін көрсетеді. 1980 жылдары Нишино және т.б. алғаш рет кремний субстраттарында химиялық бу тұндыру (CVD) арқылы 4um 3C-SiC жұқа қабықшаларды алды [1], бұл 3C-SiC жұқа қабықша технологиясының негізін қалады.

1990 жылдар SiC зерттеулерінің алтын ғасыры болды. Cree Research Inc. сәйкесінше 1991 және 1994 жылдары 6H-SiC және 4H-SiC чиптерін іске қосты, бұл олардың коммерциялануына ықпал етті.SiC жартылай өткізгіш құрылғылар. Осы кезеңдегі технологиялық прогресс 3С-SiC кейінгі зерттеулер мен қолданудың негізін қалады.

21 ғасырдың басында,отандық кремний негізіндегі SiC жұқа пленкаларда белгілі бір дәрежеде дамыды. Е Жижэнь және т.б. 2002 жылы төмен температура жағдайында CVD әдісімен кремний негізіндегі SiC жұқа пленкаларын дайындады [2]. 2001 жылы Ань Ся және т.б. бөлме температурасында магнетронды шашырату арқылы кремний негізіндегі SiC жұқа пленкаларын дайындады [3].

Алайда, Si және SiC тор константасы (шамамен 20%) арасындағы үлкен айырмашылыққа байланысты 3C-SiC эпитаксиалды қабатының ақау тығыздығы салыстырмалы түрде жоғары, әсіресе DPB сияқты егіз ақау. Торлардың сәйкессіздігін азайту үшін зерттеушілер 3C-SiC эпитаксиалды қабатын өсіру және ақау тығыздығын азайту үшін (0001) бетінде 6H-SiC, 15R-SiC немесе 4H-SiC пайдаланады. Мысалы, 2012 жылы Секи, Казуаки және т.б. 6H-SiC (0001) жер үсті тұқымында 3C-SiC және 6H-SiC полиморфты селективті өсуін аса қанығуды бақылау арқылы жүзеге асыратын динамикалық полиморфты эпитаксияны басқару технологиясын ұсынды [4-5]. 2023 жылы Сюнь Ли сияқты зерттеушілер өсу мен процесті оңтайландыру үшін CVD әдісін қолданды және тегіс 3C-SiC сәтті алды.эпитаксиалды қабат4H-SiC субстратта бетінде DPB ақаулары жоқ, өсу жылдамдығы 14ум/сағ[6].

Кристалл құрылымы және 3С SiC қолдану өрістері

Көптеген SiCD политиптерінің ішінде 3C-SiC жалғыз текше политипі болып табылады, ол β-SiC ретінде де белгілі. Бұл кристалдық құрылымда Si және C атомдары торда бір-біріне қатынасында болады және әрбір атом күшті коваленттік байланыстары бар тетраэдрлік құрылымдық бірлік құрайтын төрт гетерогенді атомдармен қоршалған. 3C-SiC құрылымдық ерекшелігі Si-C екі атомды қабаттары ABC-ABC-… ретімен қайта-қайта орналасады және әрбір бірлік ұяшықта осындай үш екі атомды қабат бар, ол C3 көрінісі деп аталады; 3C-SiC кристалдық құрылымы төмендегі суретте көрсетілген:

1-сурет 3C-SiC кристалдық құрылымы

Қазіргі уақытта кремний (Si) қуатты құрылғылар үшін ең көп қолданылатын жартылай өткізгіш материал болып табылады. Дегенмен, Si өнімділігіне байланысты кремний негізіндегі қуат құрылғылары шектеулі. 4H-SiC және 6H-SiC-пен салыстырғанда, 3C-SiC бөлме температурасындағы ең жоғары теориялық электрондардың қозғалғыштығына (1000 см·V-1·S-1) ие және MOS құрылғысының қолданбаларында көбірек артықшылықтарға ие. Сонымен қатар, 3C-SiC жоғары бұзылу кернеуі, жақсы жылу өткізгіштік, жоғары қаттылық, кең диапазон, жоғары температураға төзімділік және радиацияға төзімділік сияқты тамаша қасиеттерге ие. Сондықтан оның электроникада, оптоэлектроникада, сенсорларда және экстремалды жағдайларда қосымшаларда үлкен әлеуеті бар, байланысты технологиялардың дамуы мен инновациясына ықпал етеді және көптеген салаларда кең қолдану әлеуетін көрсетеді:

Біріншіден: әсіресе жоғары вольтты, жоғары жиілікті және жоғары температуралы орталарда 3C-SiC жоғары бұзылу кернеуі және жоғары электрондардың қозғалғыштығы оны MOSFET сияқты қуатты құрылғыларды өндіру үшін тамаша таңдау жасайды [7]. Екіншіден: 3C-SiC-ті наноэлектроника мен микроэлектромеханикалық жүйелерде (MEMS) қолдану оның кремний технологиясымен үйлесімділігінен пайда көреді, бұл наноэлектроника және наноэлектромеханикалық құрылғылар сияқты наноөлшемді құрылымдарды жасауға мүмкіндік береді [8]. Үшінші: Кең жолақты жартылай өткізгіш материал ретінде 3C-SiC өндіруге жарамды.көк жарық диодтары(жарық диодтар). Оның жарықтандыруда, дисплей технологияларында және лазерлерде қолданылуы оның жоғары жарық тиімділігі мен жеңіл допингке байланысты назар аударды [9]. Төртіншіден: Сонымен қатар, 3C-SiC позицияға сезімтал детекторларды, әсіресе нөлдік ауытқу жағдайында жоғары сезімталдықты көрсететін және дәл позициялау үшін жарамды бүйірлік фотоэлектрлік әсерге негізделген лазерлік нүктелік позицияға сезімтал детекторларды өндіру үшін қолданылады [10] .

3. 3С SiC гетероепитаксиясын дайындау әдісі

3C-SiC гетероэпитаксиясының негізгі өсу әдістеріне жатадыхимиялық булардың тұндыру (CVD), сублимациялық эпитаксия (SE), сұйық фазалық эпитаксия (LPE), молекулярлық сәуленің эпитаксисі (MBE), магнетронды шашырату және т.б. CVD басқаруға және бейімделуге (температура, газ ағыны, камераның қысымы және реакция уақыты сияқты) байланысты 3C-SiC эпитаксисі үшін таңдаулы әдіс болып табылады. эпитаксиалды қабат).

Химиялық будың тұндыру (CVD): құрамында Si және C элементтері бар қосылыс газы реакция камерасына жіберіледі, қызады және жоғары температурада ыдырайды, содан кейін Si атомдары мен С атомдары Si субстратына тұнбаға түседі немесе 6H-SiC, 15R- SiC, 4H-SiC субстраты [11]. Бұл реакцияның температурасы әдетте 1300-1500 ℃ аралығында болады. Жалпы Si көздеріне SiH4, TCS, MTS және т.б. жатады, ал C көздеріне негізінен C2H4, C3H8 және т.б. кіреді, H2 тасымалдаушы газ ретінде. Өсу процесі негізінен келесі қадамдарды қамтиды: 1. Газ фазасының реакция көзі негізгі газ ағынында тұндыру аймағына тасымалданады. 2. Газ фазалық реакциясы шекаралық қабатта жұқа қабықша прекурсорлары мен қосалқы өнімдерді генерациялау үшін жүреді. 3. Прекурсордың тұндыру, адсорбция және крекинг процесі. 4. Адсорбцияланған атомдар субстрат бетінде қоныс аударады және қайта құрылады. 5. Адсорбцияланған атомдар ядро ​​түзіп, субстрат бетінде өседі. 6. Реакциядан кейін негізгі газ ағынының аймағына қалдық газдың массалық тасымалдануы және реакция камерасынан шығарылуы. 2-суретте CVD схемалық диаграммасы [12].

2-сурет CVD схемалық диаграммасы

Сублимациялық эпитаксия (СЭ) әдісі: 3-сурет 3C-SiC дайындауға арналған SE әдісінің тәжірибелік құрылым диаграммасы. Негізгі қадамдар жоғары температура аймағында SiC көзінің ыдырауы және сублимациясы, сублиматтардың тасымалдануы және субстрат бетіндегі сублиматтардың төменгі температурада реакциясы мен кристалдануы болып табылады. Мәліметтер келесідей: 6H-SiC немесе 4H-SiC субстрат тигельдің жоғарғы жағына орналастырылады жәнежоғары таза SiC ұнтағыSiC шикізаты ретінде пайдаланылады және түбіне орналастырыладыграфит тигель. Тигель радиожиілік индукциясы арқылы 1900-2100 ℃ дейін қызады және субстрат температурасы SiC көзінен төмен болуы үшін бақыланады, тигель ішінде осьтік температура градиентін құрайды, осылайша сублимацияланған SiC материалы субстратта конденсациялануы және кристалдануы мүмкін. 3C-SiC гетероэпитаксиалды түзеді.

Сублимациялық эпитаксияның артықшылықтары негізінен екі аспектіде: 1. Эпитаксистік температура жоғары, бұл кристалдық ақауларды азайта алады; 2. Атом деңгейінде оюланған бетті алу үшін оны оюға болады. Бірақ өсу процесінде реакция көзін реттеуге болмайды, ал кремний-көміртек қатынасын, уақытты, әртүрлі реакциялар ретін және т.б. өзгерту мүмкін емес, нәтижесінде өсу процесінің бақылау мүмкіндігі төмендейді.

3-сурет 3C-SiC эпитаксисін өсіруге арналған SE әдісінің схемалық диаграммасы

Молекулярлық сәулелік эпитаксис (MBE) - 4H-SiC немесе 6H-SiC субстраттарында 3C-SiC эпитаксиалды қабаттарын өсіруге жарамды, жұқа қабықшаны өсірудің жетілдірілген технологиясы. Бұл әдістің негізгі принципі: ультра жоғары вакуумдық ортада бастапқы газды дәл бақылау арқылы өсіп келе жатқан эпитаксиалды қабаттың элементтері бағытталған атомдық сәулені немесе молекулалық сәулені қалыптастыру үшін қыздырылады және қыздырылған субстрат бетіне түседі. эпитаксиалды өсу. 3C-SiC өсірудің жалпы шарттарыэпитаксиалды қабаттар4H-SiC немесе 6H-SiC субстраттарында: кремнийге бай жағдайларда графен және таза көміртек көздері электронды пистолетпен газ тәрізді заттарға қозғалады және реакция температурасы ретінде 1200-1350℃ қолданылады. 3C-SiC гетероэпитаксиалды өсуін 0,01-0,1 нмс-1 өсу жылдамдығында алуға болады [13].

Қорытынды және перспектива

Үздіксіз технологиялық прогресс пен механизмді терең зерттеу арқылы 3C-SiC гетероэпитаксиалды технологиясы жартылай өткізгіштер өнеркәсібінде маңызды рөл атқарады және жоғары тиімді электронды құрылғылардың дамуына ықпал етеді деп күтілуде. Мысалы, ақаулардың төмен тығыздығын сақтай отырып, өсу қарқынын арттыру үшін HCl атмосферасын енгізу сияқты өсудің жаңа әдістері мен стратегияларын зерттеуді жалғастыру болашақ зерттеулердің бағыты болып табылады; ақаулардың пайда болу механизмін тереңдетіп зерттеу және ақауларды дәлірек бақылауға және материалдың қасиеттерін оңтайландыруға қол жеткізу үшін фотолюминесценция және катодолюминесценция талдауы сияқты неғұрлым жетілдірілген сипаттама әдістерін әзірлеу; жоғары сапалы қалың пленка 3C-SiC жылдам өсуі жоғары вольтты құрылғылардың қажеттіліктерін қанағаттандырудың кілті болып табылады және өсу қарқыны мен материалдың біркелкілігі арасындағы тепе-теңдікті жеңу үшін қосымша зерттеулер қажет; SiC/GaN сияқты гетерогенді құрылымдарда 3C-SiC қолдануымен бірге оның қуат электроникасы, оптоэлектрондық интеграция және кванттық ақпаратты өңдеу сияқты жаңа құрылғылардағы әлеуетті қолданбаларын зерттеңіз.

Анықтамалар:

[1] Нишино С, Хазуки Ю, Мацунами Н, т.б. Бір кристалды β-SiC қабықшаларының сптерленген SiC аралық қабаты бар кремний субстратында химиялық бумен тұндыру [J]. The Electrochemical Society журналы, 1980, 127(12):2674-2680.

[2] Ye Zhizhen, Wang Yadong, Huang Jingyun, және т.б. кремний негізіндегі кремний карбиді жұқа пленкалардың төмен температуралық өсуіне арналған зерттеулер [J] Vacuum Science and Technology, 2002, 022(001):58-60. .

[3] An Xia, Zhuang Huizhao, Li Huaixiang, және т.б. (111) Si субстратында нано-SiC жұқа қабықшаларды дайындау [J] Шандун қалыпты университетінің журналы: Табиғи ғылымдар басылымы, 2001: 382-384. ..

[4] Секи К, Александр, Козава С, т.б. Ерітінді өсіміндегі аса қанығуды бақылау арқылы SiC политипті-селективті өсуі[J]. Crystal Growth журналы, 2012, 360:176-180.

[5] Чен Яо, Чжао Фуцян, Чжу Бингсиан, Хе Шуай үйде және шетелде кремнийлі карбидті қуат құрылғыларының дамуына шолу [Дж], 2020: 49-54.

[6] Li X, Wang G .3C-SiC қабаттарының 4H-SiC субстраттарында жақсартылған морфологиясы бар CVD өсуі [J].Solid State Communications, 2023:371.

[7] Hou Kaiwen. Si үлгісіндегі субстрат және оны 3C-SiC өсімінде қолдану [D], Сиань технологиялық университеті, 2018.

[8]Ларс, Хиллер, Томас және т.б. 3C-SiC(100) Меса құрылымдарының ECR-этчингіндегі сутегі әсерлері[J]. Материалдар туралы ғылым форумы, 2014 ж.

[9] Xu Qingfang 3C-SiC жұқа қабықшаларды лазерлік химиялық тұндыру арқылы дайындау [D] Ухань технологиялық университеті, 2016 ж.

[10] Foisal A R M , Nguyen T , Dinh T K , et al.3C-SiC/Si гетероструктурасы: фотоэлектрлік әсерге негізделген позицияға сезімтал детекторларға арналған тамаша платформа[J].ACS қолданбалы материалдары және интерфейстері, 2019-09-04.

[11] Xin Bin 3C/4H-SiC CVD процесіне негізделген гетероэпитаксиалды өсу: ақауларды сипаттау және Сиань электронды ғылым және технология университеті.

Dong Lin.

[13] Diani M , Simon L , Kubler L , et al. 6H-SiC(0001) субстратта[J] 3C-SiC политипінің кристалдық өсуі. Crystal Growth журналы, 2002, 235(1):95-102.