تاریخ توسعه 3C sic

به عنوان یک شکل مهم ازکاربید سیلیکون، تاریخ توسعه3C-SICنشان دهنده پیشرفت مداوم علم مادی نیمه هادی است. در دهه 1980 ، نیشینو و همکاران. اولین فیلم های نازک 4um 3c-sic بر روی بسترهای سیلیکون توسط رسوب بخار شیمیایی (CVD) [1] ، که پایه و اساس فناوری فیلم نازک 3C-SIC را ایجاد کرده است.

دهه 1990 عصر طلایی تحقیقات SiC بود. Cree Research Inc. تراشه‌های 6H-SiC و 4H-SiC را به ترتیب در سال‌های 1991 و 1994 راه‌اندازی کرد تا تجاری‌سازیدستگاه های نیمه هادی sic. پیشرفت تکنولوژی در این دوره، پایه و اساس تحقیقات بعدی و کاربرد 3C-SiC را گذاشت.

در اوایل قرن 21،فیلم های نازک SIC مبتنی بر سیلیکون داخلینیز تا حدی توسعه یافته است. یه ژیژن و همکاران لایه های نازک SiC مبتنی بر سیلیکون توسط CVD در شرایط دمای پایین در سال 2002 تهیه شد [2]. در سال 2001، An Xia و همکاران. لایه های نازک SiC مبتنی بر سیلیکون را با کندوپاش مگنترون در دمای اتاق تهیه کرد [3].

با این حال، به دلیل تفاوت زیاد بین ثابت شبکه Si و SiC (حدود 20٪)، چگالی نقص لایه همپایی 3C-SiC نسبتا زیاد است، به ویژه نقص دوقلو مانند DPB. به منظور کاهش عدم تطابق شبکه، محققان از 6H-SiC، 15R-SiC یا 4H-SiC بر روی سطح (0001) به عنوان بستر برای رشد لایه اپیتاکسیال 3C-SiC و کاهش چگالی نقص استفاده می کنند. به عنوان مثال، در سال 2012، Seki، Kazuaki et al. فناوری کنترل اپیتاکسی چندشکلی پویا را پیشنهاد کرد که رشد انتخابی چند شکلی 3C-SiC و 6H-SiC را روی دانه سطحی 6H-SiC (0001) با کنترل فوق اشباع تحقق می بخشد [4-5]. در سال 2023، محققانی مانند Xun Li از روش CVD برای بهینه سازی رشد و فرآیند استفاده کردند و با موفقیت یک 3C-SiC صاف به دست آوردند.لایه اپیتاکسیالبدون نقص DPB روی سطح روی یک بستر 4H-SiC با سرعت رشد 14um/h[6].

ساختار کریستالی و زمینه های کاربردی 3C SiC

در میان بسیاری از پلی تیتای SICD ، 3C-SIC تنها پلی تیپ مکعب است که به عنوان β-SIC نیز شناخته می شود. در این ساختار کریستالی ، اتم های Si و C در یک نسبت یک به یک در شبکه وجود دارند و هر اتم توسط چهار اتم ناهمگن احاطه شده است و یک واحد ساختاری چهار ضلعی را با پیوندهای کووالانسی قوی تشکیل می دهد. ویژگی ساختاری 3C-SIC این است که لایه های دیاتومیک Si-C به طور مکرر به ترتیب ABC-ABC- ... تنظیم می شوند و هر سلول واحد حاوی سه لایه دیاتومیک است که به آن بازنمایی C3 گفته می شود. ساختار کریستالی 3c-sic در شکل زیر نشان داده شده است:

شکل 1 ساختار کریستالی 3c-sic

در حال حاضر ، سیلیکون (SI) رایج ترین ماده نیمه هادی برای دستگاه های برق است. با این حال ، به دلیل عملکرد SI ، دستگاه های قدرت مبتنی بر سیلیکون محدود هستند. در مقایسه با 4H-SIC و 6H-SIC ، 3C-SIC دارای بالاترین تحرک الکترونیکی نظری دمای اتاق (1000 سانتی متر · V-1 · S-1) است و در برنامه های دستگاه MOS مزایای بیشتری دارد. در همین زمان ، 3C-SIC همچنین از خواص بسیار خوبی مانند ولتاژ شکست بالا ، هدایت حرارتی خوب ، سختی زیاد ، باند گسترده ، مقاومت در برابر دمای بالا و مقاومت در برابر تابش برخوردار است. بنابراین ، این پتانسیل بسیار در الکترونیک ، نوری ، سنسورها و برنامه های کاربردی در شرایط شدید ، ترویج توسعه و نوآوری فن آوری های مرتبط و نشان دادن پتانسیل کاربرد گسترده در بسیاری از زمینه ها دارد:

اول: به خصوص در ولتاژ بالا ، فرکانس بالا و محیط های درجه حرارت بالا ، ولتاژ با شکست زیاد و تحرک الکترونی زیاد 3C-SIC آن را به یک انتخاب ایده آل برای تولید دستگاه های قدرت مانند MOSFET تبدیل می کند [7]. دوم: استفاده از 3C-SIC در سیستم های نانوالکترونیک و میکروالکترومکانیکی (MEMS) از سازگاری آن با فناوری سیلیکون بهره می برد و به ساخت ساختارهای نانو مانند نانوالکترونیک و دستگاههای نانوالکترومکانیکی امکان می دهد [8]. سوم: به عنوان یک ماده نیمه هادی باند گسترده ، 3C-SIC برای ساخت مناسب استدیودهای ساطع نور آبی(LED). کاربرد آن در روشنایی ، فناوری نمایش و لیزرها به دلیل راندمان درخشان و دوپینگ آسان ، مورد توجه قرار گرفته است [9]. چهارم: در همان زمان ، 3C-SIC برای ساخت آشکارسازهای حساس به موقعیت ، به ویژه آشکارسازهای حساس به موقعیت لیزر بر اساس اثر فتوولتائیک جانبی ، که حساسیت بالایی را در شرایط تعصب صفر نشان می دهد ، استفاده می شود و برای موقعیت یابی دقیق مناسب است [10] بشر

3. روش تهیه هترواپیتاکسی 3C SiC

روشهای اصلی رشد هتروپیتاکسی 3C-SIC شامل می شودرسوب بخار شیمیایی (CVD), تصعید Epitaxy (SE), فاز مایع Epitaxy (LPE)اپیتاکسی پرتو مولکولی (MBE)، کندوپاش مگنترون، و غیره. CVD به دلیل قابلیت کنترل و سازگاری (مانند دما، جریان گاز، فشار محفظه و زمان واکنش، که می تواند کیفیت را بهینه کند، روش ارجح برای اپیتاکسی 3C-SiC است. لایه اپیتاکسیال).

رسوب بخار شیمیایی (CVD): یک گاز مرکب حاوی عناصر Si و C به محفظه واکنش منتقل می شود ، در دمای بالا گرم و تجزیه می شود ، و سپس اتم های Si و اتم های C بر روی بستر Si رسوب می شوند ، یا 6H-SIC ، 15R- بستر 4H-SIC [11]. دمای این واکنش معمولاً بین 1500-1500 است. منابع مشترک SI شامل SIH4 ، TCS ، MTS و غیره و منابع C عمدتا شامل C2H4 ، C3H8 و غیره است که H2 به عنوان گاز حامل است. فرآیند رشد عمدتا شامل مراحل زیر است: 1. منبع واکنش فاز گاز در جریان اصلی گاز به منطقه رسوب منتقل می شود. 2. واکنش فاز گاز در لایه مرزی برای تولید پیش سازهای فیلم نازک و محصولات جانبی رخ می دهد. 3. روند بارش ، جذب و ترک خوردگی پیشرو. 4. اتمهای جذب شده در سطح بستر مهاجرت و بازسازی می شوند. 5. اتمهای جذب شده را هسته می کنند و بر روی سطح بستر رشد می کنند. 6. حمل و نقل انبوه گاز پس از واکنش به منطقه اصلی جریان گاز و از محفظه واکنش خارج می شود. شکل 2 یک نمودار شماتیک CVD است [12].

شکل 2 نمودار شماتیک CVD

روش تصعیم اپیتاکس (SE) روش: شکل 3 یک نمودار ساختار آزمایشی از روش SE برای تهیه 3C-SIC است. مراحل اصلی تجزیه و تصویب منبع SIC در منطقه درجه حرارت بالا ، حمل و نقل تصوری ها و واکنش و تبلور زیرزمین ها بر روی سطح بستر در دمای پایین تر است. جزئیات به شرح زیر است: بستر 6H-SIC یا 4H-SIC در بالای Crucible قرار می گیرد ، وپودر Sic با خلوص بالابه عنوان ماده اولیه sic استفاده می شود و در پایین قرار می گیردگرافیت صلیببشر Crucible با القاء فرکانس رادیویی تا 1900-2100 گرم می شود ، و دمای بستر کنترل می شود تا از منبع SIC پایین تر باشد و یک گرادیان دمای محوری را در داخل Crucible تشکیل می دهد ، به طوری که مواد SIC تصویب شده می توانند در بستر چگال و متبلور شوند. برای تشکیل 3C-SIC Heteroepitaxial.

مزایای انتشار اپیتاکس عمدتاً در دو جنبه است: 1. دمای اپیتاکسی زیاد است ، که می تواند نقص کریستالی را کاهش دهد. 2. برای به دست آوردن یک سطح اچ شده در سطح اتمی می توان آن را بدست آورد. با این حال ، در طی فرآیند رشد ، منبع واکنش قابل تنظیم نیست ، و نسبت سیلیکون-کربن ، زمان ، توالی های مختلف واکنش و غیره قابل تغییر نیست و در نتیجه کاهش در کنترل فرایند رشد ایجاد می شود.

شکل 3 نمودار شماتیک روش SE برای رشد اپیتاکسی 3C-SiC

Epitaxy پرتو مولکولی (MBE) یک فناوری پیشرفته رشد فیلم نازک است که برای رشد لایه های اپیتاکسیال 3C-SIC در بسترهای 4H-SIC یا 6H-SIC مناسب است. اصل اساسی این روش: در یک محیط خلاء فوق العاده بلند ، از طریق کنترل دقیق گاز منبع ، عناصر لایه اپی کلیسا در حال رشد گرم می شوند تا یک پرتو اتمی جهت دار یا پرتو مولکولی و حادثه در سطح بستر گرم شده برای تشکیل دهند رشد اپیتاکسیال. شرایط مشترک برای رشد 3C-SICلایه های اپیتاکسیالدر بسترهای 4H-SiC یا 6H-SiC عبارتند از: در شرایط غنی از سیلیکون، گرافن و منابع کربن خالص با تفنگ الکترونی به مواد گازی برانگیخته می شوند و 1200-1350 درجه سانتیگراد به عنوان دمای واکنش استفاده می شود. رشد هترواپیتاکسیال 3C-SiC را می توان با سرعت رشد 0.01-0.1 نانومتر-1 به دست آورد [13].

نتیجه گیری و چشم انداز

از طریق پیشرفت مداوم تکنولوژیکی و تحقیقات عمیق مکانیزم، انتظار می رود فناوری هترواپیتاکسیال 3C-SiC نقش مهم تری در صنعت نیمه هادی ایفا کند و توسعه دستگاه های الکترونیکی با راندمان بالا را ارتقا دهد. به عنوان مثال، ادامه کشف تکنیک‌ها و استراتژی‌های رشد جدید، مانند معرفی اتمسفر هیدروکلراید برای افزایش سرعت رشد و در عین حال حفظ تراکم نقص کم، جهت تحقیقات آینده است. تحقیق عمیق در مورد مکانیسم تشکیل نقص، و توسعه تکنیک‌های توصیفی پیشرفته‌تر، مانند آنالیز فوتولومینسانس و کاتدولومینسانس، برای دستیابی به کنترل دقیق‌تر نقص و بهینه‌سازی خواص مواد؛ رشد سریع فیلم ضخیم با کیفیت بالا 3C-SiC کلید رفع نیازهای دستگاه های ولتاژ بالا است و تحقیقات بیشتری برای غلبه بر تعادل بین نرخ رشد و یکنواختی مواد مورد نیاز است. همراه با کاربرد 3C-SiC در ساختارهای ناهمگن مانند SiC/GaN، کاربردهای بالقوه آن را در دستگاه های جدید مانند الکترونیک قدرت، ادغام اپتوالکترونیک و پردازش اطلاعات کوانتومی بررسی می کند.

مراجع:

[1] Nishino S ، Hazuki Y ، Matsunami H ، et al. رسوب بخار شیمیایی فیلم های تک کریستالی β-sic تک در بستر سیلیکون با لایه میانی sic پراکنده [J]. مجله انجمن الکتروشیمیایی ، 1980 ، 127 (12): 2674-2680.

[2] Ye Zhizhen ، Wang Yadong ، Huang Jingyun ، et al.

[3] An Xia, Zhuang Huizhao, Li Huaixiang, et al. آماده سازی لایه های نازک نانو SiC با کندوپاش مگنترون بر روی (111) بستر Si [J] مجله شاندونگ نرمال: نسخه علوم طبیعی، 2001 ..

[4] سکی ک، الکساندر، کوزاوا اس، و همکاران. رشد انتخابی چند نوع SiC با کنترل فوق اشباع در رشد محلول [J]. مجله رشد کریستال، 1391، 360:176-180.

[5] چن یائو ، ژائو فوقیانگ ، ژو بینگکسین ، او خلاصه.

[6] Li X ، Wang G .CVD رشد لایه های 3C-SIC در بسترهای 4H-SIC با مورفولوژی بهبود یافته [J]. ارتباطات دولت جامد ، 2023: 371.

[7] تحقیقات Hou Kaiwen روی بستر الگوی Si و کاربرد آن در رشد 3C-SiC [D].

[8] لارس، هیلر، توماس، و همکاران. اثرات هیدروژن در ECR-Etching ساختارهای 3C-SiC(100) Mesa[J]. انجمن علوم مواد، 2014.

[9] Xu Qingfang آماده سازی لایه های نازک 3C-SiC با رسوب شیمیایی بخار [D].

[10] Foisal A R M, Nguyen T, Dinh T K, et al.3C-SiC/Si Heterostructure: یک پلت فرم عالی برای آشکارسازهای حساس به موقعیت بر اساس اثر فتوولتائیک [J]. مواد و رابط های کاربردی ACS، 2019: 40987.

[11] Xin Bin.

[12] فناوری رشد همپایه چند ویفری بزرگ و خصوصیات فیزیکی کاربید سیلیکون [D]، 2014.

[13] Diani M ، Simon L ، Kubler L ، et al. رشد کریستالی پلی پلی تیپ 3C-SIC در بستر 6H-SIC (0001) [J]. مجله رشد کریستال ، 2002 ، 235 (1): 95-102.