3C-SiC heteroepitaksija: apžvalga

1. Istorinė 3C-SiC raida

3C-SiC, reikšmingo silicio karbido politipo, sukūrimas atspindi nuolatinę puslaidininkinių medžiagų mokslo pažangą. Devintajame dešimtmetyje Nishino ir kt. pirmą kartą buvo sukurta 4 μm storio 3C-SiC plėvelė ant silicio pagrindo, naudojant cheminį nusodinimą iš garų (CVD)[1], padėjus 3C-SiC plonasluoksnės plėvelės technologijos pagrindą.

Dešimtasis dešimtmetis buvo SiC tyrimų aukso amžius. „Cree Research Inc.“ 6H-SiC ir 4H-SiC lustų pristatymas atitinkamai 1991 ir 1994 m. paskatino SiC puslaidininkinių prietaisų komercializaciją. Ši technologinė pažanga padėjo pagrindus tolesniems 3C-SiC tyrimams ir pritaikymui.

XXI amžiaus pradžioje silicio pagrindu pagamintos SiC plėvelės taip pat padarė didelę pažangą Kinijoje. Ye Zhizhen ir kt. pagamino SiC plėveles ant silicio substratų, naudojant CVD žemoje temperatūroje 2002 m. [2], o An Xia ir kt. 2001 m. pasiekė panašių rezultatų naudojant magnetroninį dulkinimą kambario temperatūroje [3].

Tačiau didelis gardelės neatitikimas tarp Si ir SiC (apie 20%) lėmė didelį defektų tankį 3C-SiC epitaksiniame sluoksnyje, ypač dvigubas padėties nustatymo ribas (DPB). Norėdami tai sušvelninti, mokslininkai pasirinko tokius substratus kaip 6H-SiC, 15R-SiC arba 4H-SiC su (0001) orientacija, kad augintų 3C-SiC epitaksinius sluoksnius, taip sumažindami defektų tankį. Pavyzdžiui, 2012 m. Seki, Kazuaki ir kt. pasiūlė kinetinio polimorfizmo kontrolės metodą, leidžiantį selektyvų 3C-SiC ir 6H-SiC augimą ant 6H-SiC(0001) sėklų kontroliuojant persotinimą[4-5]. 2023 m. Xun Li ir kt. sėkmingai gavo lygius 3C-SiC epitaksinius sluoksnius, kuriuose nėra DPB ant 4H-SiC substratų, naudojant optimizuotą CVD augimą, kurio greitis yra 14 μm / h [6].

2. 3C-SiC kristalų struktūra ir taikymas

Tarp daugelio SiC politipų 3C-SiC, taip pat žinomas kaip β-SiC, yra vienintelis kubinis politipas. Šioje kristalinėje struktūroje Si ir C atomai egzistuoja santykiu vienas su vienu, sudarydami tetraedrinę vienetinę ląstelę su stipriais kovalentiniais ryšiais. Struktūrai būdingi Si-C dvisluoksniai sluoksniai, išdėstyti ABC-ABC-… seka, o kiekvienoje vienetinėje ląstelėje yra trys tokie dvisluoksniai sluoksniai, pažymėti C3 žyma. 1 paveiksle parodyta 3C-SiC kristalinė struktūra.

                                                                                                                                                                           1 pav. 3C-SiC kristalinė struktūra

Šiuo metu silicis (Si) yra plačiausiai naudojama puslaidininkinė medžiaga galios įrenginiuose. Tačiau būdingi apribojimai riboja jo veikimą. Palyginti su 4H-SiC ir 6H-SiC, 3C-SiC turi didžiausią teorinį elektronų mobilumą kambario temperatūroje (1000 cm2·V-1·s-1), todėl jis yra naudingesnis MOSFET taikymams. Be to, dėl didelės gedimo įtampos, puikaus šilumos laidumo, didelio kietumo, plačios juostos, atsparumo aukštai temperatūrai ir atsparumo spinduliuotei 3C-SiC yra labai perspektyvus naudoti elektronikoje, optoelektronikoje, jutikliuose ir ekstremaliose aplinkose:

Didelės galios, aukšto dažnio ir aukštų temperatūrų taikymas: 3C-SiC didelė gedimo įtampa ir didelis elektronų mobilumas daro jį idealiu gaminant galios įrenginius, tokius kaip MOSFET, ypač sudėtingoje aplinkoje[7].

Nanoelektronika ir mikroelektromechaninės sistemos (MEMS): Suderinamumas su silicio technologija leidžia gaminti nanomastelines struktūras, kurias galima pritaikyti nanoelektronikoje ir MEMS įrenginiuose[8].

Optoelektronika:Kaip plataus diapazono puslaidininkinė medžiaga, 3C-SiC tinka mėlyniems šviesos diodams (LED). Dėl didelio šviesos efektyvumo ir lengvo dopingo naudojimo jis yra patrauklus apšvietimui, ekrano technologijoms ir lazeriams[9].

Jutikliai:3C-SiC naudojamas padėties jautriuose detektoriuose, ypač lazeriniuose taško padėties detektoriuose, pagrįstuose šoniniu fotovoltiniu efektu. Šie detektoriai pasižymi dideliu jautrumu nulinio poslinkio sąlygomis, todėl yra tinkami tiksliam padėties nustatymui[10].

3. 3C-SiC heteroepitaksijos paruošimo metodai

Įprasti 3C-SiC heteroepitaksijos metodai apima cheminį nusodinimą garais (CVD), sublimacinę epitaksiją (SE), skystosios fazės epitaksiją (LPE), molekulinio pluošto epitaksiją (MBE) ir magnetroninį purškimą. CVD yra tinkamiausias 3C-SiC epitaksijos metodas dėl jo valdomumo ir pritaikomumo temperatūros, dujų srauto, kameros slėgio ir reakcijos laiko atžvilgiu, todėl galima optimizuoti epitaksinio sluoksnio kokybę.

Cheminis nusodinimas garais (CVD):Dujiniai junginiai, kurių sudėtyje yra Si ir C, patenka į reakcijos kamerą ir kaitinami iki aukštos temperatūros, todėl jie suyra. Tada Si ir C atomai nusėda ant substrato, paprastai Si, 6H-SiC, 15R-SiC arba 4H-SiC [11]. Ši reakcija paprastai vyksta 1300–1500 °C temperatūroje. Įprasti Si šaltiniai yra SiH4, TCS ir MTS, o C šaltiniai pirmiausia yra C2H4 ir C3H8, o H2 yra nešančiosios dujos. 2 paveiksle pavaizduota CVD proceso schema[12].

                                                                                                                                                               2 pav. CVD proceso schema

Sublimacinė epitaksija (SE):Taikant šį metodą, tiglio viršuje dedamas 6H-SiC arba 4H-SiC substratas, o apačioje esanti žaliava yra didelio grynumo SiC milteliai. Tiglis kaitinamas iki 1900–2100 °C radijo dažnio indukcija, išlaikant substrato temperatūrą žemesnę nei šaltinio temperatūra, kad būtų sukurtas ašinis temperatūros gradientas. Tai leidžia sublimuotam SiC kondensuotis ir kristalizuotis ant substrato, sudarydamas 3C-SiC heteroepitaksiją.

Molekulinio pluošto epitaksija (MBE):Ši pažangi plonasluoksnių plėvelių auginimo technika tinka 3C-SiC epitaksiniams sluoksniams auginti ant 4H-SiC arba 6H-SiC substratų. Esant itin dideliam vakuumui, tikslus šaltinių dujų valdymas leidžia formuoti kryptingus sudedamųjų elementų atominius arba molekulinius pluoštus. Šios sijos yra nukreiptos į šildomą substrato paviršių epitaksiniam augimui.

4. Išvada ir perspektyva

Dėl nuolatinės technologinės pažangos ir nuodugnių mechaninių tyrimų, 3C-SiC heteroepitaksija yra pasirengusi atlikti vis svarbesnį vaidmenį puslaidininkių pramonėje, skatinant energiją taupančių elektroninių prietaisų kūrimą. Naujų augimo metodų, tokių kaip HCl atmosferų įvedimas, siekiant padidinti augimo greitį, išlaikant mažą defektų tankį, tyrinėjimas yra perspektyvi ateities tyrimų kryptis. Tolesnis defektų formavimo mechanizmų tyrimas ir pažangių apibūdinimo metodų kūrimas leis tiksliai kontroliuoti defektus ir optimizuoti medžiagų savybes. Spartus aukštos kokybės, storų 3C-SiC plėvelių augimas yra labai svarbus siekiant patenkinti aukštos įtampos įrenginių poreikius, todėl reikia atlikti tolesnius tyrimus, siekiant nustatyti augimo greičio ir medžiagų vienodumo pusiausvyrą. Panaudojus 3C-SiC pritaikymą heterostruktūrose, tokiose kaip SiC / GaN, galima visapusiškai ištirti jo potencialą naujuose įrenginiuose, tokiuose kaip galios elektronika, optoelektroninė integracija ir kvantinės informacijos apdorojimas.

Nuorodos:

[1] Nishino S, Hazuki Y, Matsunami H ir kt. Vienkristalinių β-SiC plėvelių cheminis nusodinimas garais ant silicio substrato su išpuršktu SiC tarpiniu sluoksniu[J].Journal of The Electrochemical Society, 1980, 127(12):2674-2680.

[2] Ye Zhizhen, Wang Yadong, Huang Jingyun ir kt., Silicio karbido plonų plėvelių augimo žemoje temperatūroje [J] Journal of Vacuum Science and Technology, 2002, 022(001):58-60. .

[3] An Xia, Zhuang Huizhao, Li Huaixiang ir kt., Nano-SiC plonų plėvelių paruošimas purškiant ant (111) Si substrato [J] Shandong Normal University: Natural Science Edition, 2001: 382-384 ..

[4] Seki K, Alexander, Kozawa S ir kt. Politipui selektyvus SiC augimas kontroliuojant persotinimą tirpalo augimo metu [J]. Crystal Growth žurnalas, 2012, 360:176-180.

[5] Chen Yao, Zhao Fuqiang, Zhu Bingxian, He Shuai Silicio karbido galios įrenginių kūrimo namuose ir užsienyje apžvalga [J], 2020: 49-54.

[6] Li X, Wang G. 3C-SiC sluoksnių CVD augimas ant 4H-SiC substratų su patobulinta morfologija[J].Solid State Communications, 2023:371.

[7] Hou Kaiwen Si rašto substrato tyrimas ir jo taikymas 3C-SiC augimui [D], 2018 m.

[8] Larsas, Hilleris, Thomas ir kt. Vandenilio efektai ECR-Etching of 3C-SiC(100) Mesa Structures[J].Medžiagų mokslo forumas, 2014 m.

[9] Xu Qingfang 3C-SiC plonų plėvelių paruošimas cheminiu nusodinimu iš garų [D], 2016 m.

[10] Foisal A R M , Nguyen T , Dinh T K ir kt.3C-SiC/Si Heterostruktūra: puiki vietai jautrių detektorių platforma, pagrįsta fotovoltiniu efektu[J].ACS taikomosios medžiagos ir sąsajos, 2019: 40987.

[11] Xin Bin 3C/4H-SiC heteroepitaksinis augimas, pagrįstas CVD procesu: defektų apibūdinimas ir raida [D].

[12] Dong Lin. Didelio ploto kelių plokštelių epitaksinio augimo technologija ir fizinės silicio karbido savybės [D], Kinijos mokslų akademijos universitetas, 2014 m.

[13] Diani M, Simon L, Kubler L ir kt. 3C-SiC politipo kristalų augimas ant 6H-SiC(0001) substrato[J]. Journal of Crystal Growth, 2002, 235(1):95-102.