Историята на развитието на 3C SiC

Като важна форма насилициев карбид, историята на развитието на3C-SiCотразява непрекъснатия прогрес на науката за полупроводниковите материали. През 80-те години Nishino et al. за първи път получи 4um 3C-SiC тънки филми върху силициеви субстрати чрез химическо отлагане на пари (CVD) [1], което постави основата на 3C-SiC тънкослойна технология.

90-те години на миналия век бяха златният век на изследванията на SiC. Cree Research Inc. пусна 6H-SiC и 4H-SiC чипове съответно през 1991 и 1994 г., насърчавайки комерсиализацията наSiC полупроводникови устройства. Технологичният прогрес през този период постави основата за последващите изследвания и прилагане на 3C-SiC.

В началото на 21 век,местни тънки филми SiC на основата на силицийсъщо се разви до известна степен. Ye Zhizhen и др. приготвени тънки слоеве SiC на базата на силиций чрез CVD при условия на ниска температура през 2002 г. [2]. През 2001 г. An Xia et al. приготвени тънки слоеве SiC на базата на силиций чрез магнетронно разпрашване при стайна температура [3].

Въпреки това, поради голямата разлика между константата на решетката на Si и тази на SiC (около 20%), плътността на дефектите на епитаксиалния слой 3C-SiC е относително висока, особено двойния дефект като DPB. За да се намали несъответствието на решетката, изследователите използват 6H-SiC, 15R-SiC или 4H-SiC на (0001) повърхността като субстрат за растеж на 3C-SiC епитаксиален слой и намаляване на плътността на дефектите. Например през 2012 г. Seki, Kazuaki et al. предложи технологията за контрол на динамичната полиморфна епитаксия, която реализира полиморфния селективен растеж на 3C-SiC и 6H-SiC върху повърхностния зародиш 6H-SiC (0001) чрез контролиране на свръхнасищането [4-5]. През 2023 г. изследователи като Xun Li използваха метода CVD за оптимизиране на растежа и процеса и успешно получиха гладък 3C-SiCепитаксиален слойбез DPB дефекти на повърхността върху 4H-SiC субстрат при скорост на растеж от 14 um/h [6].

Кристална структура и области на приложение на 3C SiC

Сред много SiCD политипове, 3C-SiC е единственият кубичен политип, известен също като β-SiC. В тази кристална структура атомите Si и C съществуват в съотношение едно към едно в решетката и всеки атом е заобиколен от четири хетерогенни атома, образувайки тетраедрична структурна единица със силни ковалентни връзки. Структурната характеристика на 3C-SiC е, че двуатомните слоеве Si-C са многократно подредени в реда ABC-ABC-… и всяка единична клетка съдържа три такива двуатомни слоя, което се нарича C3 представяне; кристалната структура на 3C-SiC е показана на фигурата по-долу:

Фигура 1 Кристална структура на 3C-SiC

Понастоящем силиций (Si) е най-често използваният полупроводников материал за силови устройства. Въпреки това, поради производителността на Si, базираните на силиций захранващи устройства са ограничени. В сравнение с 4H-SiC и 6H-SiC, 3C-SiC има най-високата теоретична подвижност на електрони при стайна температура (1000 cm·V-1·S-1) и има повече предимства в приложенията на MOS устройства. В същото време 3C-SiC също има отлични свойства като високо пробивно напрежение, добра топлопроводимост, висока твърдост, широка ширина на лентата, устойчивост на висока температура и устойчивост на радиация. Следователно, той има голям потенциал в електрониката, оптоелектрониката, сензорите и приложенията при екстремни условия, като насърчава развитието и иновациите на свързани технологии и показва широк потенциал за приложение в много области:

Първо: Особено в среда с високо напрежение, висока честота и висока температура, високото напрежение на пробив и високата подвижност на електроните на 3C-SiC го правят идеален избор за производство на силови устройства като MOSFET [7]. Второ: Приложението на 3C-SiC в наноелектрониката и микроелектромеханичните системи (MEMS) се възползва от неговата съвместимост със силициевата технология, което позволява производството на наномащабни структури като наноелектроника и наноелектромеханични устройства [8]. Трето: Като широколентов полупроводников материал, 3C-SiC е подходящ за производството насини светодиоди(светодиоди). Приложението му в осветлението, технологията на дисплея и лазерите привлече вниманието поради високата си светлинна ефективност и лесното допиране [9]. Четвърто: В същото време 3C-SiC се използва за производство на позиционно-чувствителни детектори, по-специално позиционно-чувствителни детектори с лазерна точка, базирани на страничния фотоволтаичен ефект, които показват висока чувствителност при условия на нулево отклонение и са подходящи за прецизно позициониране [10] .

3. Метод за получаване на 3C SiC хетероепитаксия

Основните методи за растеж на 3C-SiC хетероепитаксия включватхимическо отлагане на пари (CVD), сублимационна епитаксия (SE), епитаксия в течна фаза (LPE), молекулярно-лъчева епитаксия (MBE), магнетронно разпрашване и др. CVD е предпочитаният метод за 3C-SiC епитаксия поради неговата управляемост и адаптивност (като температура, газов поток, налягане в камерата и време за реакция, което може да оптимизира качеството на епитаксиален слой).

Химично отлагане на пари (CVD): Съставен газ, съдържащ Si и C елементи, се пропуска в реакционната камера, нагрява се и се разлага при висока температура и след това Si атоми и C атоми се утаяват върху Si субстрата или 6H-SiC, 15R- SiC, 4H-SiC субстрат [11]. Температурата на тази реакция обикновено е между 1300-1500 ℃. Често срещаните източници на Si включват SiH4, TCS, MTS и т.н., а източниците на C включват главно C2H4, C3H8 и т.н., с H2 като газ носител. Процесът на растеж включва главно следните стъпки: 1. Реакционният източник на газовата фаза се транспортира до зоната на отлагане в основния газов поток. 2. Реакцията на газовата фаза протича в граничния слой, за да се генерират тънки филмови прекурсори и странични продукти. 3. Процесът на утаяване, адсорбция и крекинг на прекурсора. 4. Адсорбираните атоми мигрират и се реконструират върху повърхността на субстрата. 5. Адсорбираните атоми се зараждат и растат върху повърхността на субстрата. 6. Масовият транспорт на отпадъчния газ след реакцията в зоната на главния газов поток и се извежда от реакционната камера. Фигура 2 е схематична диаграма на CVD [12].

Фигура 2 Схематична диаграма на CVD

Метод на сублимационна епитаксия (SE): Фигура 3 е експериментална структурна диаграма на метода SE за получаване на 3C-SiC. Основните стъпки са разлагането и сублимацията на източника на SiC във високотемпературната зона, транспортирането на сублиматите и реакцията и кристализацията на сублиматите върху повърхността на субстрата при по-ниска температура. Подробностите са както следва: 6H-SiC или 4H-SiC субстрат се поставя в горната част на тигела иSiC прах с висока чистотасе използва като SiC суровина и се поставя на дъното награфитен тигел. Тигелът се нагрява до 1900-2100 ℃ чрез радиочестотна индукция и температурата на субстрата се контролира да бъде по-ниска от източника на SiC, образувайки аксиален температурен градиент вътре в тигела, така че сублимираният SiC материал да може да кондензира и кристализира върху субстрата за образуване на 3C-SiC хетероепитаксиален.

Предимствата на сублимационната епитаксия са главно в два аспекта: 1. Температурата на епитаксия е висока, което може да намали кристалните дефекти; 2. Може да се ецва, за да се получи гравирана повърхност на атомно ниво. Въпреки това, по време на процеса на растеж източникът на реакция не може да се регулира и съотношението силиций-въглерод, времето, различните последователности на реакциите и т.н. не могат да бъдат променени, което води до намаляване на контролируемостта на процеса на растеж.

Фигура 3 Схематична диаграма на SE метод за отглеждане на 3C-SiC епитаксия

Молекулярно-лъчевата епитаксия (MBE) е усъвършенствана технология за растеж на тънък филм, която е подходяща за отглеждане на 3C-SiC епитаксиални слоеве върху 4H-SiC или 6H-SiC субстрати. Основният принцип на този метод е: в среда със свръхвисок вакуум, чрез прецизен контрол на изходния газ, елементите на нарастващия епитаксиален слой се нагряват, за да образуват насочен атомен лъч или молекулен лъч и да падат върху нагрятата повърхност на субстрата за епитаксиален растеж. Общите условия за отглеждане на 3C-SiCепитаксиални слоевевърху 4H-SiC или 6H-SiC субстрати са: при условия, богати на силиций, източниците на графен и чист въглерод се възбуждат в газообразни вещества с електронна пушка и 1200-1350 ℃ се използва като реакционна температура. 3C-SiC хетероепитаксиален растеж може да се получи при скорост на растеж от 0,01-0,1 nms-1 [13].

Заключение и перспектива

Чрез непрекъснат технологичен прогрес и задълбочено изследване на механизмите се очаква 3C-SiC хетероепитаксиалната технология да играе по-важна роля в полупроводниковата индустрия и да насърчи развитието на високоефективни електронни устройства. Например, продължаването на изследването на нови техники и стратегии за растеж, като например въвеждане на HCl атмосфера за увеличаване на скоростта на растеж, като същевременно се поддържа ниска плътност на дефектите, е посоката на бъдещите изследвания; задълбочено изследване на механизма за образуване на дефекти и разработването на по-модерни техники за характеризиране, като фотолуминесцентен и катодолуминесцентен анализ, за ​​постигане на по-прецизен контрол на дефектите и оптимизиране на свойствата на материала; бързият растеж на висококачествен дебел филм 3C-SiC е ключът към задоволяване на нуждите на устройствата с високо напрежение и са необходими допълнителни изследвания за преодоляване на баланса между скоростта на растеж и еднородността на материала; комбиниран с приложението на 3C-SiC в хетерогенни структури като SiC/GaN, изследва потенциалните му приложения в нови устройства като силова електроника, оптоелектронна интеграция и квантова обработка на информация.

препратки:

[1] Nishino S, Hazuki Y, Matsunami H и др. Химическо отлагане на пари на единични кристални β-SiC филми върху силициев субстрат с разпръснат SiC междинен слой [J]. Journal of The Electrochemical Society, 1980, 127(12):2674-2680.

[2] Ye Zhizhen, Wang Yadong, Huang Jingyun, et al. Изследване на нискотемпературен растеж на тънки филми от силициев карбид [J]. .

[3] An Xia, Zhuang Huizhao, Li Huaixiang, et al. Подготовка на нано-SiC тънки филми чрез магнетронно разпрашване върху (111) Si субстрат [J]. Journal of Shandong Normal University, 2001: 382-384 ..

[4] Seki K, Alexander, Kozawa S, et al. Политип-селективен растеж на SiC чрез контрол на свръхнасищането в растежа на разтвора [J]. Journal of Crystal Growth, 2012, 360:176-180.

[5] Chen Yao, Zhao Fuqiang, Zhu Bingxian, He Shuai Преглед на развитието на силициево-карбидните устройства в страната и чужбина [J]. 2020: 49-54.

[6] Li X, Wang G. CVD растеж на 3C-SiC слоеве върху 4H-SiC субстрати с подобрена морфология [J].Solid State Communications, 2023:371.

[7] Hou Kaiwen Изследване на Si шарена подложка и нейното приложение в растежа на 3C-SiC [D]. Xi'an University of Technology, 2018.

[8] Ларс, Хилър, Томас и др. Водородни ефекти при ECR-ецване на 3C-SiC(100) мезоструктури [J]. Научен форум за материали, 2014 г.

[9] Xu Qingfang Подготовка на 3C-SiC тънки филми чрез лазерно химическо отлагане на пари [D]. Технологичен университет в Ухан, 2016 г.

[10] Foisal ARM, Nguyen T, Dinh TK и др.3C-SiC/Si хетероструктура: Отлична платформа за позиционно-чувствителни детектори, базирани на фотоволтаичен ефект [J].ACS Applied Materials & Interfaces, 2019: 40980-40987.

[11] Xin Bin. 3C/4H-SiC хетероепитаксиален растеж на базата на CVD процес: характеризиране на дефектите и еволюция [D]. Xi'an University of Electronic Science and Technology.

[12] Донг Лин. Технология за епитаксиален растеж на много пластини и характеризиране на физическите свойства на силициевия карбид [D]. Университет на Китайската академия на науките, 2014 г.

[13] Diani M, Simon L, Kubler L и др. Кристален растеж на 3C-SiC политип върху 6H-SiC(0001) субстрат [J]. Journal of Crystal Growth, 2002, 235(1):95-102.