De ontwikkelingsgeschiedenis van 3C SiC

Als een belangrijke vorm vansiliciumcarbide, de ontwikkelingsgeschiedenis van3C-SiCweerspiegelt de voortdurende vooruitgang van de halfgeleidermateriaalwetenschap. In de jaren tachtig hebben Nishino et al. verkreeg voor het eerst 4um 3C-SiC dunne films op siliciumsubstraten door chemische dampafzetting (CVD) [1], wat de basis legde voor de 3C-SiC dunne filmtechnologie.

De jaren negentig waren de gouden eeuw van het SiC-onderzoek. Cree Research Inc. lanceerde respectievelijk 6H-SiC- en 4H-SiC-chips in 1991 en 1994, waarmee de commercialisering vanSiC-halfgeleiderapparaten. De technologische vooruitgang in deze periode legde de basis voor het daaropvolgende onderzoek en de toepassing van 3C-SiC.

In het begin van de 21e eeuw,binnenlandse siliciumgebaseerde dunne SiC-filmstot op zekere hoogte ook ontwikkeld. Ye Zhizhen et al. bereidde op silicium gebaseerde dunne SiC-films door CVD onder lage temperatuuromstandigheden in 2002 [2]. In 2001 hebben An Xia et al. bereide dunne SiC-films op siliciumbasis door magnetronsputteren bij kamertemperatuur [3].

Vanwege het grote verschil tussen de roosterconstante van Si en die van SiC (ongeveer 20%) is de defectdichtheid van de 3C-SiC epitaxiale laag echter relatief hoog, vooral het tweelingdefect zoals DPB. Om de mismatch in het rooster te verminderen, gebruiken onderzoekers 6H-SiC, 15R-SiC of 4H-SiC op het (0001) oppervlak als substraat om de epitaxiale 3C-SiC-laag te laten groeien en de defectdichtheid te verminderen. In 2012 hebben Seki, Kazuaki et al. stelde de dynamische polymorfe epitaxiecontroletechnologie voor, die de polymorfe selectieve groei van 3C-SiC en 6H-SiC op het 6H-SiC (0001) oppervlaktezaad realiseert door de oververzadiging te beheersen [4-5]. In 2023 gebruikten onderzoekers zoals Xun Li de CVD-methode om de groei en het proces te optimaliseren, en verkregen met succes een soepele 3C-SiCepitaxiale laagzonder DPB-defecten op het oppervlak op een 4H-SiC-substraat met een groeisnelheid van 14um/uur[6].

Kristalstructuur en toepassingsgebieden van 3C SiC

Van de vele SiCD-polytypen is 3C-SiC het enige kubieke polytype, ook bekend als β-SiC. In deze kristalstructuur bestaan ​​Si- en C-atomen in een één-op-één verhouding in het rooster, en elk atoom is omgeven door vier heterogene atomen, die een tetraëdrische structurele eenheid vormen met sterke covalente bindingen. Het structurele kenmerk van 3C-SiC is dat de Si-C-diatomische lagen herhaaldelijk zijn gerangschikt in de volgorde ABC-ABC-..., en elke eenheidscel drie van dergelijke diatomische lagen bevat, wat C3-representatie wordt genoemd; de kristalstructuur van 3C-SiC wordt weergegeven in de onderstaande figuur:

Figuur 1 Kristalstructuur van 3C-SiC

Momenteel is silicium (Si) het meest gebruikte halfgeleidermateriaal voor elektrische apparaten. Vanwege de prestaties van Si zijn op silicium gebaseerde energieapparaten echter beperkt. Vergeleken met 4H-SiC en 6H-SiC heeft 3C-SiC de hoogste theoretische elektronenmobiliteit bij kamertemperatuur (1000 cm·V-1·S-1) en heeft het meer voordelen in MOS-apparaattoepassingen. Tegelijkertijd heeft 3C-SiC ook uitstekende eigenschappen, zoals een hoge doorslagspanning, goede thermische geleidbaarheid, hoge hardheid, grote bandafstand, hoge temperatuurbestendigheid en stralingsweerstand. Daarom heeft het een groot potentieel op het gebied van elektronica, opto-elektronica, sensoren en toepassingen onder extreme omstandigheden, bevordert het de ontwikkeling en innovatie van aanverwante technologieën en vertoont het een breed toepassingspotentieel op veel gebieden:

Ten eerste: vooral in omgevingen met hoge spanning, hoge frequentie en hoge temperaturen maken de hoge doorslagspanning en de hoge elektronenmobiliteit van 3C-SiC het een ideale keuze voor de productie van stroomapparaten zoals MOSFET [7]. Ten tweede: de toepassing van 3C-SiC in nano-elektronica en micro-elektromechanische systemen (MEMS) profiteert van de compatibiliteit ervan met siliciumtechnologie, waardoor de vervaardiging van structuren op nanoschaal mogelijk wordt, zoals nano-elektronica en nano-elektromechanische apparaten [8]. Ten derde: als halfgeleidermateriaal met grote bandafstand is 3C-SiC geschikt voor de vervaardiging vanblauwe lichtgevende diodes(LED's). De toepassing ervan in verlichting, displaytechnologie en lasers heeft de aandacht getrokken vanwege de hoge lichtopbrengst en gemakkelijke doping [9]. Ten vierde: Tegelijkertijd wordt 3C-SiC gebruikt om positiegevoelige detectoren te vervaardigen, vooral laserpunt-positiegevoelige detectoren op basis van het laterale fotovoltaïsche effect, die een hoge gevoeligheid vertonen onder omstandigheden van nulvoorspanning en geschikt zijn voor nauwkeurige positionering [10]. .

3. Bereidingswijze van 3C SiC heteroepitaxy

De belangrijkste groeimethoden van 3C-SiC-heteroepitaxie omvattenchemische dampdepositie (CVD), sublimatie epitaxie (SE), epitaxie in de vloeibare fase (LPE), moleculaire bundelepitaxie (MBE), magnetronsputteren, enz. CVD is de voorkeursmethode voor 3C-SiC-epitaxie vanwege de beheersbaarheid en aanpasbaarheid ervan (zoals temperatuur, gasstroom, kamerdruk en reactietijd, waardoor de kwaliteit van de epitaxiale laag).

Chemische dampafzetting (CVD): Een samengesteld gas dat Si- en C-elementen bevat, wordt naar de reactiekamer geleid, verwarmd en ontleed bij hoge temperatuur, en vervolgens worden Si-atomen en C-atomen neergeslagen op het Si-substraat, of 6H-SiC, 15R- SiC, 4H-SiC-substraat [11]. De temperatuur van deze reactie ligt gewoonlijk tussen 1300-1500℃. Veel voorkomende Si-bronnen zijn onder meer SiH4, TCS, MTS, enz., en C-bronnen omvatten voornamelijk C2H4, C3H8, enz., met H2 als draaggas. Het groeiproces omvat hoofdzakelijk de volgende stappen: 1. De gasfase-reactiebron wordt in de hoofdgasstroom naar de depositiezone getransporteerd. 2. In de grenslaag vindt een gasfasereactie plaats, waarbij dunnefilmvoorlopers en bijproducten ontstaan. 3. Het precipitatie-, adsorptie- en kraakproces van de precursor. 4. De geadsorbeerde atomen migreren en reconstrueren op het substraatoppervlak. 5. De geadsorbeerde atomen kiemen en groeien op het substraatoppervlak. 6. Het massatransport van het afvalgas na de reactie naar de hoofdgasstroomzone en wordt uit de reactiekamer afgevoerd. Figuur 2 is een schematisch diagram van CVD [12].

Figuur 2 Schematisch diagram van CVD

Sublimatie-epitaxie (SE)-methode: Figuur 3 is een experimenteel structuurdiagram van de SE-methode voor het bereiden van 3C-SiC. De belangrijkste stappen zijn de ontleding en sublimatie van de SiC-bron in de hoge temperatuurzone, het transport van de sublimaten en de reactie en kristallisatie van de sublimaten op het substraatoppervlak bij een lagere temperatuur. De details zijn als volgt: 6H-SiC- of 4H-SiC-substraat wordt bovenop de smeltkroes geplaatst enzeer zuiver SiC-poederwordt gebruikt als SiC-grondstof en onderaan geplaatstgrafietkroes. De smeltkroes wordt verwarmd tot 1900-2100 ℃ door radiofrequentie-inductie, en de substraattemperatuur wordt zo geregeld dat deze lager is dan die van de SiC-bron, waardoor een axiale temperatuurgradiënt in de smeltkroes ontstaat, zodat het gesublimeerde SiC-materiaal kan condenseren en kristalliseren op het substraat om 3C-SiC heteroepitaxiaal te vormen.

De voordelen van sublimatie-epitaxie liggen voornamelijk in twee aspecten: 1. De epitaxietemperatuur is hoog, wat kristaldefecten kan verminderen; 2. Het kan worden geëtst om een ​​geëtst oppervlak op atomair niveau te verkrijgen. Tijdens het groeiproces kan de reactiebron echter niet worden aangepast en kunnen de silicium-koolstofverhouding, de tijd, verschillende reactiesequenties, etc. niet worden gewijzigd, wat resulteert in een afname van de beheersbaarheid van het groeiproces.

Figuur 3 Schematisch diagram van de SE-methode voor het kweken van 3C-SiC-epitaxie

Moleculaire bundelepitaxie (MBE) is een geavanceerde dunnefilmgroeitechnologie, die geschikt is voor het groeien van 3C-SiC epitaxiale lagen op 4H-SiC- of 6H-SiC-substraten. Het basisprincipe van deze methode is: in een ultrahoogvacuümomgeving worden, door nauwkeurige controle van het brongas, de elementen van de groeiende epitaxiale laag verwarmd om een ​​gerichte atomaire of moleculaire straal te vormen, die op het verwarmde substraatoppervlak invalt. epitaxiale groei. De gebruikelijke voorwaarden voor het kweken van 3C-SiCepitaxiale lagenop 4H-SiC- of 6H-SiC-substraten zijn: onder siliciumrijke omstandigheden worden grafeen- en pure koolstofbronnen met een elektronenkanon geëxciteerd tot gasvormige stoffen, en wordt 1200-1350 ℃ gebruikt als reactietemperatuur. 3C-SiC hetero-epitaxiale groei kan worden verkregen met een groeisnelheid van 0,01-0,1 nms-1 [13].

Conclusie en vooruitzicht

Door voortdurende technologische vooruitgang en diepgaand onderzoek naar mechanismen wordt verwacht dat 3C-SiC hetero-epitaxiale technologie een belangrijkere rol zal spelen in de halfgeleiderindustrie en de ontwikkeling van zeer efficiënte elektronische apparaten zal bevorderen. Het blijven onderzoeken van nieuwe groeitechnieken en strategieën, zoals het introduceren van een HCl-atmosfeer om de groeisnelheid te verhogen met behoud van een lage defectdichtheid, is bijvoorbeeld de richting van toekomstig onderzoek; diepgaand onderzoek naar het defectvormingsmechanisme, en de ontwikkeling van meer geavanceerde karakteriseringstechnieken, zoals fotoluminescentie en kathodoluminescentieanalyse, om een ​​nauwkeurigere defectcontrole te bereiken en de materiaaleigenschappen te optimaliseren; snelle groei van hoogwaardige dikke film 3C-SiC is de sleutel om te voldoen aan de behoeften van hoogspanningsapparatuur, en verder onderzoek is nodig om het evenwicht tussen groeisnelheid en materiaaluniformiteit te overwinnen; gecombineerd met de toepassing van 3C-SiC in heterogene structuren zoals SiC/GaN, de potentiële toepassingen ervan verkennen in nieuwe apparaten zoals vermogenselektronica, opto-elektronische integratie en kwantuminformatieverwerking.

Referenties:

[1] Nishino S, Hazuki Y, Matsunami H, et al. Chemische dampafzetting van enkelvoudige kristallijne β-SiC-films op siliciumsubstraat met gesputterde SiC-tussenlaag [J]. Journal of The Electrochemical Society, 1980, 127 (12): 2674-2680.

[2] Ye Zhizhen, Wang Yadong, Huang Jingyun, et al. Onderzoek naar groei bij lage temperatuur van dunne films van siliciumcarbide op basis van silicium [J]. .

[3] An Xia, Zhuang Huizhao, Li Huaixiang, et al. Bereiding van dunne nano-SiC-films door magnetronsputteren op (111) Si-substraat [J]. ..

[4] Seki K, Alexander, Kozawa S, et al. Polytype-selectieve groei van SiC door oververzadigingscontrole in oplossingsgroei [J]. Journal of Crystal Growth, 2012, 360:176-180.

[5] Chen Yao, Zhao Fuqiang, Zhu Bingxian, He Shuai. Overzicht van de ontwikkeling van siliciumcarbide-energieapparaten in binnen- en buitenland [J].

[6] Li X, Wang G. CVD-groei van 3C-SiC-lagen op 4H-SiC-substraten met verbeterde morfologie [J].Solid State Communications, 2023:371.

[7] Hou Kaiwen. Onderzoek naar substraat met Si-patroon en de toepassing ervan in 3C-SiC-groei [D].

[8]Lars, Hiller, Thomas, et al. Waterstofeffecten bij ECR-etsen van 3C-SiC(100) Mesa-structuren [J].Materials Science Forum, 2014.

[9] Xu Qingfang. Bereiding van dunne 3C-SiC-films door chemische dampafzetting met laser [D].

[10] Foisal A R M, Nguyen T, Dinh T K, et al.3C-SiC/Si Heterostructuur: een uitstekend platform voor positiegevoelige detectoren op basis van fotovoltaïsch effect [J].ACS Applied Materials & Interfaces, 2019: 40980-40987.

[11] Xin Bin. 3C/4H-SiC heteroepitaxiale groei gebaseerd op CVD-proces: karakterisering en evolutie van defecten [D].

[12] Dong Lin. Epitaxiale groeitechnologie met meerdere wafers en karakterisering van de fysieke eigenschappen van siliciumcarbide [D].

[13] Diani M, Simon L, Kubler L, et al. Kristalgroei van 3C-SiC-polytype op 6H-SiC(0001)-substraat[J]. Journal of Crystal Growth, 2002, 235(1):95-102.