De ontwikkelingsgeschiedenis van 3c sic

Als een belangrijke vorm vansiliciumcarbide, de ontwikkelingsgeschiedenis van3c-SiCweerspiegelt de voortdurende vooruitgang van de halfgeleidermateriaalwetenschap. In de jaren tachtig hebben Nishino et al. verkreeg voor het eerst 4um 3C-SiC dunne films op siliciumsubstraten door chemische dampafzetting (CVD) [1], wat de basis legde voor de 3C-SiC dunne filmtechnologie.

De jaren negentig waren de gouden eeuw van het SiC-onderzoek. Cree Research Inc. lanceerde respectievelijk 6H-SiC- en 4H-SiC-chips in 1991 en 1994, waarmee de commercialisering vanSIC halfgeleiderapparaten. De technologische vooruitgang in deze periode legde de basis voor het daaropvolgende onderzoek en de toepassing van 3C-SIC.

In het begin van de 21e eeuw,binnenlandse siliciumgebaseerde dunne SiC-filmsheeft zich ook tot op zekere hoogte ontwikkeld. Ye Zhizhen et al. bereidde op silicium gebaseerde dunne SiC-films door CVD onder lage temperatuuromstandigheden in 2002 [2]. In 2001 hebben An Xia et al. bereide dunne SiC-films op siliciumbasis door magnetronsputteren bij kamertemperatuur [3].

Vanwege het grote verschil tussen de roosterconstante van Si en die van SiC (ongeveer 20%), is de defectdichtheid van 3C-SIC epitaxiale laag relatief hoog, vooral het tweelingdefect zoals DPB. Om de roostermismatch te verminderen, gebruiken onderzoekers 6H-SIC, 15R-SIC of 4H-SIC op het (0001) oppervlak als substraat om 3C-SIC epitaxiale laag te laten groeien en de defectdichtheid te verminderen. In 2012 bijvoorbeeld, Seki, Kazuaki et al. stelde de dynamische polymorfe epitaxy-controletechnologie voor, die de polymorfe selectieve groei van 3C-SIC en 6H-SIC op het 6H-SIC (0001) oppervlaktezaad realiseert door de oververzadiging te regelen [4-5]. In 2023 gebruikten onderzoekers zoals Xun Li de CVD-methode om de groei en het proces te optimaliseren en verkregen ze met succes een soepele 3C-SICepitaxiale laagzonder DPB-defecten op het oppervlak op een 4H-SIC-substraat met een groeisnelheid van 14um/h [6].

Kristalstructuur en applicatievelden van 3c sic

Van de vele SICD-polytypes is 3C-SIC het enige kubieke polytype, ook bekend als β-SIC. In deze kristalstructuur bestaan ​​SI- en C-atomen in een één-op-één verhouding in het rooster, en elk atoom is omgeven door vier heterogene atomen, die een tetraëdrische structurele eenheid vormen met sterke covalente bindingen. Het structurele kenmerk van 3C-SIC is dat de SI-C diatomee-lagen herhaaldelijk zijn gerangschikt in de volgorde van ABC-ABC- ..., en elke eenheidscel bevat drie van dergelijke diatomaire lagen, die C3-representatie worden genoemd; De kristalstructuur van 3C-SIC wordt getoond in de onderstaande afbeelding:

Figuur 1 Kristalstructuur van 3C-SIC

Momenteel is silicium (SI) het meest gebruikte halfgeleidermateriaal voor vermogensapparaten. Vanwege de prestaties van SI zijn echter op siliconen gebaseerde vermogensapparaten beperkt. Vergeleken met 4H-SIC en 6H-SIC heeft 3C-SIC de hoogste theoretische elektronenmobiliteit met kamertemperatuur (1000 cm · V-1 · S-1) en heeft meer voordelen in MOS-apparaattoepassingen. Tegelijkertijd heeft 3C-SIC ook uitstekende eigenschappen zoals hoge afbraakspanning, goede thermische geleidbaarheid, hoge hardheid, brede bandgap, weerstand van hoge temperatuur en stralingsweerstand. Daarom heeft het een groot potentieel in elektronica, opto -elektronica, sensoren en toepassingen onder extreme omstandigheden, het bevorderen van de ontwikkeling en innovatie van gerelateerde technologieën en het tonen van brede toepassingspotentieel op veel gebieden:

Ten eerste: vooral in hoge spanning, hoogfrequente en hoge temperatuuromgevingen, maken de hoge afbraakspanning en hoge elektronenmobiliteit van 3C-SIC het een ideale keuze voor productie-vermogensapparaten zoals MOSFET [7]. Ten tweede: de toepassing van 3C-SIC in nano-elektronica en micro-elektromechanische systemen (MEMS) profiteert van zijn compatibiliteit met siliciumtechnologie, waardoor structuren op nanoschaal zoals nano-elektronica en nano-elektromechanische apparaten mogelijk zijn [8]. Ten derde: als een brede bandgap-halfgeleidermateriaal is 3C-SIC geschikt voor de productie vanblauwe lichtgevende diodes(LED's). De toepassing ervan in verlichting, display -technologie en lasers heeft de aandacht getrokken vanwege de hoge lichtgevende efficiëntie en eenvoudige doping [9]. Vierde: Tegelijkertijd wordt 3C-SIC gebruikt om positie-gevoelige detectoren te produceren, met name laserpositie-positie-gevoelige detectoren op basis van het laterale fotovoltaïsche effect, die een hoge gevoeligheid vertonen onder nul biasomstandigheden en geschikt zijn voor precieze positionering [10] .

3. Bereidingsmethode van 3C sic heteroepitaxie

De belangrijkste groeimethoden van 3C-SiC heteroepitaxie omvattenChemische dampafzetting (CVD), sublimatie epitaxie (SE), vloeibare fase epitaxie (LPE), moleculaire bundelepitaxie (MBE), magnetronsputteren, enz. CVD is de voorkeursmethode voor 3C-SiC-epitaxie vanwege de beheersbaarheid en aanpasbaarheid ervan (zoals temperatuur, gasstroom, kamerdruk en reactietijd, waardoor de kwaliteit van de epitaxiale laag).

Chemische dampafzetting (CVD): Een samengesteld gas dat Si- en C-elementen bevat, wordt naar de reactiekamer geleid, verwarmd en ontleed bij hoge temperatuur, en vervolgens worden Si-atomen en C-atomen neergeslagen op het Si-substraat, of 6H-SiC, 15R- SiC, 4H-SiC-substraat [11]. De temperatuur van deze reactie ligt gewoonlijk tussen 1300-1500℃. Veel voorkomende Si-bronnen zijn onder meer SiH4, TCS, MTS, enz., en C-bronnen omvatten voornamelijk C2H4, C3H8, enz., met H2 als draaggas. Het groeiproces omvat hoofdzakelijk de volgende stappen: 1. De gasfase-reactiebron wordt in de hoofdgasstroom naar de depositiezone getransporteerd. 2. In de grenslaag vindt een gasfasereactie plaats, waarbij dunnefilmvoorlopers en bijproducten ontstaan. 3. Het precipitatie-, adsorptie- en kraakproces van de precursor. 4. De geadsorbeerde atomen migreren en reconstrueren op het substraatoppervlak. 5. De geadsorbeerde atomen kiemen en groeien op het substraatoppervlak. 6. Het massatransport van het afvalgas na de reactie naar de hoofdgasstroomzone en wordt uit de reactiekamer afgevoerd. Figuur 2 is een schematisch diagram van CVD [12].

Figuur 2 Schematisch diagram van CVD

Sublimatie-epitaxie (SE) -methode: Figuur 3 is een experimenteel structuurdiagram van de SE-methode voor het bereiden van 3C-SIC. De hoofdstappen zijn de ontleding en sublimatie van de SIC -bron in de hoge temperatuurzone, het transport van de sublimaten en de reactie en kristallisatie van de sublimaten op het substraatoppervlak bij een lagere temperatuur. De details zijn als volgt: 6H-SIC of 4H-SIC substraat wordt bovenaan de smeltkroes geplaatst, enzeer zuiver SiC-poederwordt gebruikt als SiC -grondstof en onderaan de bodem van degrafietkroes. De smeltkroes wordt verwarmd tot 1900-2100 ℃ door radiofrequentie-inductie, en de substraattemperatuur wordt zo geregeld dat deze lager is dan die van de SiC-bron, waardoor een axiale temperatuurgradiënt in de smeltkroes ontstaat, zodat het gesublimeerde SiC-materiaal kan condenseren en kristalliseren op het substraat om 3C-SiC heteroepitaxiaal te vormen.

De voordelen van sublimatie -epitaxie zijn voornamelijk in twee aspecten: 1. De epitaxie -temperatuur is hoog, wat kristaldefecten kan verminderen; 2. Het kan worden geëtst om een ​​geëtst oppervlak op atoomniveau te verkrijgen. Tijdens het groeiproces kan de reactiebron echter niet worden aangepast en de silicium-koolstofverhouding, tijd, verschillende reactiesequenties, enz. Kan niet worden gewijzigd, wat resulteert in een afname van de controleerbaarheid van het groeiproces.

Figuur 3 Schematisch diagram van de SE-methode voor het kweken van 3C-SiC-epitaxie

Moleculaire bundelpitaxie (MBE) is een geavanceerde dunne filmgroeicijftechnologie, die geschikt is voor het kweken van 3C-SIC epitaxiale lagen op 4H-SIC of 6H-SIC-substraten. Het basisprincipe van deze methode is: in een ultrahoge vacuümomgeving, door precieze controle van het brongas, worden de elementen van de groeiende epitaxiale laag verwarmd om een ​​directionele atoomstraal of moleculaire bundel te vormen en invallen op het verwarmde substraatoppervlak voor Epitaxiale groei. De veel voorkomende omstandigheden voor het kweken van 3C-SICepitaxiale lagenOp 4H-SIC of 6H-SIC-substraten zijn: onder siliciumrijke omstandigheden worden grafeen- en pure koolstofbronnen opgewonden in gasvormige stoffen met een elektronenpistool en wordt 1200-1350 ℃ gebruikt als reactietemperatuur. 3C-SIC heteroepitaxiale groei kan worden verkregen met een groeisnelheid van 0,01-0,1 nms-1 [13].

Conclusie en vooruitzicht

Door continue technologische vooruitgang en diepgaand mechanismeonderzoek wordt verwacht dat 3C-SIC heteroepitaxiale technologie een belangrijkere rol zal spelen in de halfgeleiderindustrie en de ontwikkeling van hoogrentreffend elektronische apparaten bevordert. Bijvoorbeeld, het verkennen van nieuwe groeipechnieken en strategieën, zoals de introductie van de HCL -atmosfeer om de groeisnelheid te verhogen met behoud van een lage defectdichtheid, is de richting van toekomstig onderzoek; diepgaand onderzoek naar het defectvormingsmechanisme, en de ontwikkeling van meer geavanceerde karakteriseringstechnieken, zoals fotoluminescentie en cathodoluminescentie-analyse, om meer precieze defectcontrole te bereiken en materiaaleigenschappen te optimaliseren; Snelle groei van hoogwaardige dikke film 3C-SIC is de sleutel tot het voldoen aan de behoeften van hoogspanningsapparaten, en verder onderzoek is nodig om de balans tussen groeisnelheid en materiaaluniformiteit te overwinnen; Gecombineerd met de toepassing van 3C-SIC in heterogene structuren zoals SIC/GAN, verkent u de potentiële toepassingen in nieuwe apparaten zoals stroomelektronica, opto-elektronische integratie en kwantuminformatieverwerking.

Referenties:

[1] Nishino S, Hazuki Y, Matsunami H, et al. Chemische dampafzetting van enkele kristallijne β-SIC-films op siliconensubstraat met gesputterde SIC-tussenlagen [J]. Journal of the Electrochemical Society, 1980, 127 (12): 2674-2680.

[2] Ye Zhizhen, Wang Yadong, Huang Jingyun, et al. Onderzoek naar groei bij lage temperatuur van dunne films van siliciumcarbide op basis van silicium [J]. .

[3] An Xia, Zhuang Huizhao, Li Huaixiang, et al. Bereiding van dunne nano-SiC-films door magnetronsputteren op (111) Si-substraat [J]. ..

[4] Seki K, Alexander, Kozawa S, et al. Polytype-selectieve groei van SiC door oververzadigingscontrole in oplossingsgroei [J]. Journal of Crystal Growth, 2012, 360:176-180.

[5] Chen Yao, Zhao Fuqiang, Zhu Bingxian, hij Shuai.

[6] Li X, Wang G. CVD-groei van 3C-SiC-lagen op 4H-SiC-substraten met verbeterde morfologie [J].Solid State Communications, 2023:371.

[7] Hou Kaiwen. Onderzoek naar substraat met Si-patroon en de toepassing ervan in 3C-SiC-groei [D].

[8]Lars, Hiller, Thomas, et al. Waterstofeffecten bij ECR-etsen van 3C-SiC(100) Mesa-structuren [J].Materials Science Forum, 2014.

[9] Xu Qingfang. Laser chemische gasafzettingsmethode voorbereiding-3c-SIC film [D].

[10] Foisal A R M, Nguyen T, Dinh T K, et al.3c-SiC/Si heterostructuur: een uitstekend platform voor positiegevoelige detectoren op basis van fotovoltaïsche effect [J] .ACS Applied Materials & Interfaces, 2019: 40980-40987.

[11] Xin Bin. 3C/4H-SiC heteroepitaxiale groei gebaseerd op CVD-proces: karakterisering en evolutie van defecten [D].

[12] Dong Lin. Epitaxiale groeitechnologie met meerdere wafers en karakterisering van de fysieke eigenschappen van siliciumcarbide [D].

[13] Diani M, Simon L, Kubler L, et al. Kristalgroei van 3C-SIC polytype op 6H-SIC (0001) substraat [J]. Journal of Crystal Growth, 2002, 235 (1): 95-102.