Utvecklingshistorien för 3C SiC

Som en viktig form avkiselkarbid, utvecklingshistorien för3C-SiCåterspeglar de kontinuerliga framstegen inom materialvetenskapen för halvledarmaterial. På 1980-talet, Nishino et al. först erhöll 4um 3C-SiC tunna filmer på kiselsubstrat genom kemisk ångdeposition (CVD) [1], vilket lade grunden för 3C-SiC tunnfilmsteknologi.

1990-talet var SiC-forskningens guldålder. Cree Research Inc. lanserade 6H-SiC- och 4H-SiC-chips 1991 respektive 1994, vilket främjade kommersialiseringen avSiC-halvledarenheter. De tekniska framstegen under denna period lade grunden för den efterföljande forskningen och tillämpningen av 3C-SiC.

I början av 2000-talet,inhemska kiselbaserade SiC-tunna filmerockså utvecklats i viss mån. Ye Zhizhen et al. beredda kiselbaserade SiC-tunna filmer genom CVD under låga temperaturförhållanden 2002 [2]. År 2001, An Xia et al. beredda kiselbaserade SiC-tunna filmer genom magnetronförstoftning vid rumstemperatur [3].

Men på grund av den stora skillnaden mellan gitterkonstanten för Si och den för SiC (cirka 20%), är defektdensiteten för 3C-SiC epitaxialskikt relativt hög, särskilt tvillingdefekten såsom DPB. För att minska gallermissanpassningen använder forskare 6H-SiC, 15R-SiC eller 4H-SiC på (0001) ytan som substrat för att odla 3C-SiC epitaxialskikt och minska defektdensiteten. Till exempel, 2012, Seki, Kazuaki et al. föreslog den dynamiska polymorfa epitaxikontrolltekniken, som realiserar den polymorfa selektiva tillväxten av 3C-SiC och 6H-SiC på 6H-SiC (0001) ytfrö genom att kontrollera övermättnaden [4-5]. År 2023 använde forskare som Xun Li CVD-metoden för att optimera tillväxten och processen och lyckades få en smidig 3C-SiCepitaxiellt skiktutan DPB-defekter på ytan på ett 4H-SiC-substrat med en tillväxthastighet av 14um/h[6].

Kristallstruktur och användningsområden för 3C SiC

Bland många SiCD-polytyper är 3C-SiC den enda kubiska polytypen, även känd som β-SiC. I denna kristallstruktur finns Si- och C-atomer i ett ett-till-ett-förhållande i gittret, och varje atom är omgiven av fyra heterogena atomer, som bildar en tetraedrisk strukturell enhet med starka kovalenta bindningar. Den strukturella egenskapen hos 3C-SiC är att de diatomiska skikten av Si-C upprepade gånger arrangeras i ordningen ABC-ABC-... och varje enhetscell innehåller tre sådana diatomiska skikt, vilket kallas C3-representation; kristallstrukturen för 3C-SiC visas i figuren nedan:

Figur 1 Kristallstruktur av 3C-SiC

För närvarande är kisel (Si) det mest använda halvledarmaterialet för kraftenheter. Men på grund av prestanda hos Si är kiselbaserade kraftenheter begränsade. Jämfört med 4H-SiC och 6H-SiC har 3C-SiC den högsta teoretiska elektronrörligheten vid rumstemperatur (1000 cm·V-1·S-1), och har fler fördelar i MOS-enhetstillämpningar. Samtidigt har 3C-SiC också utmärkta egenskaper som hög genombrottsspänning, bra värmeledningsförmåga, hög hårdhet, brett bandgap, hög temperaturbeständighet och strålningsbeständighet. Därför har den stor potential inom elektronik, optoelektronik, sensorer och applikationer under extrema förhållanden, främjar utvecklingen och innovationen av relaterade teknologier och visar bred applikationspotential inom många områden:

För det första: Särskilt i miljöer med hög spänning, hög frekvens och hög temperatur gör den höga genombrottsspänningen och höga elektronrörligheten hos 3C-SiC det till ett idealiskt val för tillverkning av kraftenheter som MOSFET [7]. För det andra: Tillämpningen av 3C-SiC i nanoelektronik och mikroelektromekaniska system (MEMS) drar nytta av dess kompatibilitet med kiselteknologi, vilket möjliggör tillverkning av strukturer i nanoskala såsom nanoelektronik och nanoelektromekaniska enheter [8]. För det tredje: Som ett halvledarmaterial med brett bandgap är 3C-SiC lämplig för tillverkning avblå lysdioder(lysdioder). Dess tillämpning inom belysning, displayteknik och lasrar har väckt uppmärksamhet på grund av dess höga ljuseffektivitet och lätta dopning [9]. För det fjärde: Samtidigt används 3C-SiC för att tillverka positionskänsliga detektorer, särskilt laserpunktspositionskänsliga detektorer baserade på den laterala fotovoltaiska effekten, som visar hög känslighet under nollförspänningsförhållanden och är lämpliga för exakt positionering [10] .

3. Framställningsmetod för 3C SiC heteroepitaxi

De viktigaste tillväxtmetoderna för 3C-SiC heteroepitaxi inkluderarkemisk ångavsättning (CVD), sublimationsepitaxi (SE), flytande fas epitaxi (LPE), molekylär strålepitaxi (MBE), magnetronförstoftning, etc. CVD är den föredragna metoden för 3C-SiC epitaxi på grund av dess kontrollerbarhet och anpassningsförmåga (såsom temperatur, gasflöde, kammartryck och reaktionstid, vilket kan optimera kvaliteten på epitaxiellt skikt).

Kemisk ångavsättning (CVD): En sammansatt gas som innehåller Si- och C-element leds in i reaktionskammaren, värms upp och sönderdelas vid hög temperatur, och sedan fälls Si-atomer och C-atomer ut på Si-substratet, eller 6H-SiC, 15R- SiC, 4H-SiC-substrat [11]. Temperaturen för denna reaktion är vanligtvis mellan 1300-1500 ℃. Vanliga Si-källor inkluderar SiH4, TCS, MTS, etc., och C-källor inkluderar huvudsakligen C2H4, C3H8, etc., med H2 som bärargas. Tillväxtprocessen innefattar huvudsakligen följande steg: 1. Gasfasreaktionskällan transporteras till deponeringszonen i huvudgasflödet. 2. Gasfasreaktion sker i gränsskiktet för att generera tunnfilmsprekursorer och biprodukter. 3. Prekursorns utfällning, adsorption och sprickbildning. 4. De adsorberade atomerna migrerar och rekonstruerar på substratytan. 5. De adsorberade atomerna kärnor och växer på substratytan. 6. Masstransporten av avfallsgasen efter reaktionen in i huvudgasflödeszonen och tas ut ur reaktionskammaren. Figur 2 är ett schematiskt diagram av CVD [12].

Figur 2 Schematiskt diagram av CVD

Sublimationsepitaxi (SE)-metod: Figur 3 är ett experimentellt strukturdiagram av SE-metoden för framställning av 3C-SiC. Huvudstegen är nedbrytningen och sublimeringen av SiC-källan i högtemperaturzonen, transporten av sublimaten och reaktionen och kristalliseringen av sublimaten på substratytan vid en lägre temperatur. Detaljerna är följande: 6H-SiC- eller 4H-SiC-substrat placeras på toppen av degeln, ochhögrent SiC-pulveranvänds som SiC-råvara och placeras i botten avgrafitdegel. Degeln värms upp till 1900-2100 ℃ genom radiofrekvensinduktion, och substrattemperaturen kontrolleras till att vara lägre än SiC-källan, vilket bildar en axiell temperaturgradient inuti degeln, så att det sublimerade SiC-materialet kan kondensera och kristallisera på substratet för att bilda 3C-SiC heteroepitaxial.

Fördelarna med sublimeringsepitaxi är huvudsakligen i två aspekter: 1. Epitaxitemperaturen är hög, vilket kan minska kristalldefekter; 2. Den kan etsas för att få en etsad yta på atomnivå. Under tillväxtprocessen kan emellertid reaktionskällan inte justeras, och kisel-kolförhållandet, tiden, olika reaktionssekvenser etc. kan inte ändras, vilket resulterar i en minskning av kontrollerbarheten av tillväxtprocessen.

Figur 3. Schematiskt diagram av SE-metoden för att odla 3C-SiC-epitaxi

Molecular beam epitaxy (MBE) är en avancerad tunnfilmstillväxtteknologi, som är lämplig för odling av 3C-SiC-epitaxialskikt på 4H-SiC- eller 6H-SiC-substrat. Grundprincipen för denna metod är: i en miljö med ultrahögt vakuum, genom exakt styrning av källgasen, värms elementen i det växande epitaxialskiktet upp för att bilda en riktad atomstråle eller molekylstråle och faller in på den uppvärmda substratytan för epitaxiell tillväxt. De gemensamma förutsättningarna för att odla 3C-SiCepitaxiella skiktpå 4H-SiC- eller 6H-SiC-substrat är: under kiselrika förhållanden exciteras grafen och källor av rent kol till gasformiga ämnen med en elektronkanon, och 1200-1350 ℃ används som reaktionstemperatur. 3C-SiC heteroepitaxiell tillväxt kan erhållas med en tillväxthastighet på 0,01-0,1 nms-1 [13].

Slutsats och utsikter

Genom kontinuerliga tekniska framsteg och djupgående mekanismforskning förväntas 3C-SiC heteroepitaxiella teknologin spela en viktigare roll i halvledarindustrin och främja utvecklingen av högeffektiva elektroniska enheter. Till exempel, att fortsätta utforska nya tillväxttekniker och strategier, såsom att införa HCl-atmosfär för att öka tillväxthastigheten med bibehållen låg defektdensitet, är riktningen för framtida forskning; djupgående forskning om defektbildningsmekanismen och utvecklingen av mer avancerade karakteriseringstekniker, såsom fotoluminescens och katodoluminescensanalys, för att uppnå mer exakt defektkontroll och optimera materialegenskaper; snabb tillväxt av högkvalitativ tjockfilm 3C-SiC är nyckeln till att möta behoven hos högspänningsenheter, och ytterligare forskning behövs för att övervinna balansen mellan tillväxthastighet och materiallikformighet; kombinerat med tillämpningen av 3C-SiC i heterogena strukturer som SiC/GaN, utforska dess potentiella tillämpningar i nya enheter som kraftelektronik, optoelektronisk integration och kvantinformationsbehandling.

Referenser:

[1] Nishino S, Hazuki Y, Matsunami H, et al. Kemisk ångavsättning av enkla kristallina β-SiC-filmer på kiselsubstrat med förstoftat SiC-mellanskikt[J]. Journal of The Electrochemical Society, 1980, 127(12):2674-2680.

[2] Ye Zhizhen, Wang Yadong, Huang Jingyun, et al. Forskning om lågtemperaturtillväxt av tunnfilmer av kiselkarbid [J] Journal of Vacuum Science and Technology, 2002, 022(001):58-60. .

[3] An Xia, Zhuang Huizhao, Li Huaixiang, et al. Framställning av tunna nano-SiC-filmer genom magnetronförstoftning på (111) Si-substrat [J] Journal of Shandong Normal University: Natural Science Edition, 2001: 382-384 ..

[4] Seki K, Alexander, Kozawa S, et al. Polytypselektiv tillväxt av SiC genom övermättnadskontroll i lösningstillväxt[J]. Journal of Crystal Growth, 2012, 360:176-180.

[5] Chen Yao, Zhao Fuqiang, Zhu Bingxian, He Shuai Översikt över utvecklingen av kiselkarbidkraftenheter hemma och utomlands [J] Vehicle and Power Technology, 2020: 49-54.

[6] Li X , Wang G .CVD-tillväxt av 3C-SiC-lager på 4H-SiC-substrat med förbättrad morfologi[J].Solid State Communications, 2023:371.

[7] Hou Kaiwen Forskning om Si-mönstrat substrat och dess tillämpning i 3C-SiC-tillväxt [D] Xi'an University of Technology, 2018.

[8] Lars, Hiller, Thomas, et al. Hydrogen Effects in ECR-Etching of 3C-SiC(100) Mesa Structures[J].Materials Science Forum, 2014.

[9] Xu Qingfang Beredning av 3C-SiC tunna filmer genom laserkemisk ångavsättning [D] Wuhan University of Technology, 2016.

[10] Foisal A R M , Nguyen T , Dinh T K , 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 3C/4H-SiC heteroepitaxiell tillväxt baserad på CVD-process: defektkarakterisering och evolution [D] Xi'an University of Electronic Science and Technology.

[12] Dong Lin Storarea multi-wafer epitaxial tillväxtteknologi och fysisk egenskapskarakterisering av kiselkarbid [D] University of Chinese Academy of Sciences, 2014.

[13] Diani M, Simon L, Kubler L, et al. Kristalltillväxt av 3C-SiC-polytyp på 6H-SiC(0001)-substrat[J]. Journal of Crystal Growth, 2002, 235(1):95-102.