История развития 3c sic

Как важная формаСиликоновый карбид, история развития3c-siCотражает непрерывный прогресс полупроводникового материала. В 1980 -х годах Nishino et al. Впервые получили тонкие пленки 3C-SIC на кремниевых субстратах путем химического отложения паров (CVD) [1], что заложило основу для технологии тонкой пленки 3C-SIC.

1990 -е годы были золотым веком исследований SIC. Cree Research Inc. запустила чипы 6H-SIC и 4H-SIC в 1991 и 1994 годах соответственно, способствуя коммерциализацииПолупроводниковые приборы SiCПолем Технологический прогресс в этот период заложил основу для последующих исследований и применения 3C-SIC.

В начале 21 века,отечественные тонкие пленки SiC на основе кремниятакже в определенной степени развито. Е Чжижен и др. получили тонкие пленки SiC на основе кремния методом CVD в низкотемпературных условиях в 2002 году [2]. В 2001 году Ан Ся и др. получены тонкие пленки SiC на основе кремния методом магнетронного распыления при комнатной температуре [3].

Однако из-за большой разницы между постоянной решеткой Si и плотиной SIC (около 20%) плотность дефекта эпитаксиального слоя 3C-SIC относительно высока, особенно дефект близнецов, такой как DPB. Чтобы уменьшить несоответствие решетки, исследователи используют 6H-SIC, 15R-SIC или 4H-SIC на поверхности (0001) в качестве субстрата для выращивания эпитаксиального слоя 3C-SIC и уменьшения плотности дефекта. Например, в 2012 году Seki, Kazuaki et al. предложила технологию динамического полиморфного эпитаксии, которая реализует полиморфический селективный рост 3C-SIC и 6H-SIC на поверхностном семени 6H-SIC (0001) путем контроля над насыщением [4-5]. В 2023 году такие исследователи, как Xun Li, использовали метод CVD для оптимизации роста и процесса, и успешно получили плавную 3C-SICэпитаксиальный слойбез дефектов DPB на поверхности на подложке 4H-SiC при скорости роста 14 мкм/ч[6].

Кристаллическая структура и области применения 3C SiC

Среди многих политипов SiCD 3C-SiC является единственным кубическим политипом, также известным как β-SiC. В этой кристаллической структуре атомы Si и C существуют в решетке в соотношении один к одному, и каждый атом окружен четырьмя гетерогенными атомами, образующими тетраэдрическую структурную единицу с сильными ковалентными связями. Структурная особенность 3C-SiC состоит в том, что двухатомные слои Si-C неоднократно располагаются в порядке ABC-ABC-…, и каждая элементарная ячейка содержит три таких двухатомных слоя, что называется представлением C3; кристаллическая структура 3C-SiC показана на рисунке ниже:

Рисунок 1. Кристаллическая структура 3C-SiC.

В настоящее время кремний (SI) является наиболее часто используемым полупроводниковым материалом для силовых устройств. Однако из-за производительности Si, силиконовые электростанции на основе кремния ограничены. По сравнению с 4H-SIC и 6H-SIC, 3C-SIC имеет самую высокую теоретическую температуру в комнатной температуре (1000 см · V-1 · S-1) и имеет больше преимуществ в приложениях устройств MOS. В то же время, 3C-SIC также обладает отличными свойствами, такими как высокое напряжение разбивки, хорошая теплопроводность, высокая твердость, широкая полосатая полоса, высокая температурная сопротивление и сопротивление радиации. Таким образом, он обладает большим потенциалом в электронике, оптоэлектронике, датчиках и приложениях в экстремальных условиях, способствуя развитию и инновациям связанных технологий и демонстрируя широкий потенциал применения во многих областях:

Во-первых: особенно в средах высокого напряжения, высокой частоты и высокой температуры, высокое напряжение разбивки и высокая мобильность электронов 3C-SIC делают его идеальным выбором для производственных силовых устройств, таких как MOSFET [7]. Во-вторых: применение 3C-SIC в наноэлектронике и микроэлектромеханических системах (MEMS) получает выгоду от его совместимости с кремниевой технологией, что позволяет производить наноразмерные структуры, такие как наноэлектроника и наноэлектромеханические устройства [8]. ТРЕТЬЯ: как широкий полупроводниковый материал с широкой полосой, 3C-SIC подходит для производствасиние светодиоды(светодиоды). Его применение в освещении, технологиях отображения и лазерах привлекло внимание благодаря высокой светоотдаче и легкому легированию [9]. В-четвертых: в то же время 3C-SiC используется для изготовления позиционно-чувствительных детекторов, особенно лазерных точечных позиционно-чувствительных детекторов на основе бокового фотоэлектрического эффекта, которые показывают высокую чувствительность в условиях нулевого смещения и подходят для точного позиционирования [10] .

3. Метод приготовления гетероэпитаксии 3C SiC.

Основные методы роста гетероэпитаксии 3C-SIC включаютхимическое осаждение паров (сердечно -сосудистые заболевания), Сублимация Эпитаксия (SE), Жидкая фазовая эпитаксия (LPE)Эпитаксия молекулярного луча (MBE), распыление магнетрона и т. Д. Сер-диазиаты являются предпочтительным методом для эпитаксии 3C-SIC из-за ее управляемости и адаптации (например, температура, поток газа, давление камеры и время реакции, которые могут оптимизировать качество эпитаксиальный слой).

Химическое отложение пара (ССЗ): составной газ, содержащий элементы Si и C, передается в реакционную камеру, нагревают и разлагаются при высокой температуре, а затем атомы Si и атомы C осаждаются на подложку Si или 6H-SIC, 15R- SIC, 4H-SIC Substrate [11]. Температура этой реакции обычно составляет от 1300 до 1500 ℃. Обычные источники SI включают SIH4, TCS, MTS и т. Д., А источники C в основном включают C2H4, C3H8 и т. Д., С H2 в качестве газа -носителя. Процесс роста в основном включает в себя следующие шаги: 1. Источник реакции газовой фазы транспортируется в зону осаждения в основном потоке газа. 2. Фазовая реакция газовой фазы возникает в пограничном слое, чтобы генерировать тонкие пленки и побочные продукты. 3. Процесс осадков, адсорбции и растрескивания предшественника. 4. Адсорбированные атомы мигрируют и восстанавливают на поверхности субстрата. 5. Адсорбированные атомы зародывают и растут на поверхности субстрата. 6. Массовый перенос отхода газа после реакции в основную зону потока газа и выводится из реакционной камеры. Рисунок 2 представляет собой схематическую диаграмму сердечно -сосудистых заболеваний [12].

Рисунок 2 Схематическая схема ССЗ

Метод сублимационной эпитаксии (SE): на рисунке 3 представлена ​​экспериментальная структурная диаграмма метода SE для получения 3C-SiC. Основными этапами являются разложение и сублимация источника SiC в зоне высоких температур, транспортировка сублиматов, а также реакция и кристаллизация сублиматов на поверхности подложки при более низкой температуре. Подробности следующие: подложка 6H-SiC или 4H-SiC помещается на верхнюю часть тигля ивысокая чистота SIC порошокиспользуется в качестве сырья SIC и помещается в нижней частиграфитовый тигель. Тигель нагревается до 1900-2100 ℃ за счет радиочастотной индукции, а температура подложки контролируется так, чтобы она была ниже, чем у источника SiC, образуя осевой градиент температуры внутри тигля, так что сублимированный материал SiC может конденсироваться и кристаллизоваться на подложке. с образованием гетероэпитаксиального слоя 3C-SiC.

Преимущества сублимационной эпитаксии заключаются в основном в двух аспектах: 1. Высокая температура эпитаксии, что позволяет уменьшить дефекты кристаллов; 2. Его можно травить для получения травленной поверхности на атомном уровне. Однако в процессе роста невозможно регулировать источник реакции, а также изменять соотношение кремний-углерод, время, различные последовательности реакций и т. д., что приводит к снижению управляемости процессом роста.

Рисунок 3 Схематическая схема метода SE для выращивания эпитаксии 3C-SIC

Молекулярно-лучевая эпитаксия (МЛЭ) — это передовая технология выращивания тонких пленок, которая подходит для выращивания эпитаксиальных слоев 3C-SiC на подложках 4H-SiC или 6H-SiC. Основной принцип этого метода заключается в том, что в условиях сверхвысокого вакуума за счет точного контроля исходного газа элементы растущего эпитаксиального слоя нагреваются с образованием направленного атомного или молекулярного пучка и падают на нагретую поверхность подложки для эпитаксиальный рост. Общие условия выращивания 3C-SiCЭпитаксиальные слоиНа подложках 4H-SIC или 6H-SIC представлены: в богатых кремниевых условиях графен и чистые источники углерода возбуждаются в газообразных веществах с помощью электронного пистолета, а 1200-1350 ℃ используется в качестве температуры реакции. Гетеоэпитаксиальный рост 3C-SIC может быть получен с скоростью роста 0,01-0,1 нм-1 [13].

Заключение и перспектива

Ожидается, что благодаря непрерывному технологическому прогрессу и углубленному механизму исследования, гетероэпитаксиальная технология 3C-SIC, будет играть более важную роль в полупроводниковой промышленности и способствует разработке высокоэффективных электронных устройств. Например, продолжение изучения новых методов и стратегий роста, таких как введение атмосферы HCL для повышения скорости роста при сохранении низкой плотности дефекта, является направлением будущих исследований; Углубленные исследования по механизму формирования дефектов и разработку более продвинутых методов характеристики, таких как фотолюминесценция и анализ катодолюминесценции, для достижения более точного контроля дефектов и оптимизации свойств материала; Быстрый рост высококачественной толстой пленки 3C-SIC является ключом к удовлетворению потребностей высоковольтных устройств, и необходимы дальнейшие исследования для преодоления баланса между темпами роста и материальной единообразием; В сочетании с применением 3C-SIC в гетерогенных структурах, таких как SIC/GAN, изучите его потенциальные приложения в новых устройствах, таких как электроника, оптоэлектронная интеграция и квантовая обработка информации.

Ссылки:

[1] Nishino S, Hazuki Y, Matsunami H, et al. Химическое осаждение паров монокристаллических β-SIC пленок на кремниевой субстрате с промежуточным промежуточным слоем SIC [J]. Журнал электрохимического общества, 1980, 127 (12): 2674-2680.

[2] Е Чжичжэнь, Ван Ядун, Хуан Цзинъюнь и др. Исследование низкотемпературного выращивания тонких пленок карбида кремния на основе кремния [J Journal of Vacuum Science and Technology, 2002, 022(001):58-60. .

[3] Ань Ся, Чжуан Хуйчжао, Ли Хуайсян и др. Получение тонких пленок нано-SiC методом магнетронного распыления на подложку Si (111) [J Journal of Shandong Normal University: Natural Science Edition, 2001: 382-384]. ..

[4] Секи К., Александр, Козава С. и др. Политипно-селективный рост SiC путем контроля пересыщения при выращивании в растворе [J]. Журнал Crystal Growth, 2012, 360:176-180.

[5] Чэнь Яо, Чжао Фуцян, Чжу Бинсян, Хэ Шуай Обзор развития силовых устройств из карбида кремния в стране и за рубежом [J].

[6] Ли X, Ван Г. CVD-выращивание слоев 3C-SiC на подложках 4H-SiC с улучшенной морфологией [J].Solid State Communications, 2023:371.

[7] Хоу Кайвэнь. Исследование подложки с рисунком Si и ее применения в выращивании 3C-SiC [D], Сианьский технологический университет, 2018.

[8] Lars, Hiller, Thomas, et al. Водородные эффекты в ECR-поступлении 3C-SIC (100) структур MESA [J]. Научный форум Materials, 2014.

[9] Сюй Цинфанг.

[10] Foisal A R M, Nguyen T, Dinh T K, и др.

[11] Синь Бин. Гетероэпитаксиальный рост 3C/4H-SiC на основе процесса CVD: характеристика дефектов и эволюция [D].

[12] Донг Линь. Технология эпитаксиального выращивания нескольких пластин большой площади и характеристика физических свойств карбида кремния [D], Университет Китайской академии наук, 2014.

[13] Diani M, Simon L, Kubler L, et al. Рост кристаллов политипа 3C-SIC на подложке 6H-SIC (0001) [J]. Журнал роста кристаллов, 2002, 235 (1): 95-102.