تاریخچه توسعه 3C SiC

به عنوان یک شکل مهم ازکاربید سیلیکون، تاریخچه توسعه3C-SiCنشان دهنده پیشرفت مداوم علم مواد نیمه هادی است. در دهه 1980، نیشینو و همکاران. ابتدا لایه‌های نازک 4 میلی‌متری 3C-SiC بر روی بسترهای سیلیکونی با رسوب‌دهی بخار شیمیایی (CVD) [1] به دست آورد که پایه‌های فناوری لایه نازک 3C-SiC را گذاشت.

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 بیست و یکم،لایه 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 کرد [2]. در سال 2001، An Xia و همکاران. لایه‌های 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 چندشکلی 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 بهینه‌سازی 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 پلی‌تیپ‌های SiCD، 3C-SiC تنها پلی‌تیپ مکعبی است که به β-SiC نیز معروف است. در این ساختار بلوری، اتم های Si و C به نسبت یک به یک در شبکه وجود دارند و هر اتم توسط چهار اتم ناهمگن احاطه شده است و یک واحد ساختاری چهار وجهی با پیوندهای کووالانسی قوی را تشکیل می دهد. ویژگی ساختاری 3C-SiC این است که لایه های دو اتمی Si-C به طور مکرر به ترتیب ABC-ABC-… مرتب شده اند و هر سلول واحد شامل سه لایه دواتمی است که به آن نمایش C3 می گویند. ساختار کریستالی 3C-SiC در شکل زیر نشان داده شده است:

شکل 1 ساختار کریستالی 3C-SiC

در حال حاضر، سیلیکون (Si) متداول ترین ماده نیمه رسانا برای دستگاه های قدرت 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 نظری الکترون در دمای اتاق (1000cm·V-1·S-1) است و مزایای بیشتری در کاربردهای دستگاه MOS دارد. در عین حال، 3C-SiC همچنین دارای خواص عالی مانند ولتاژ شکست بالا، هدایت حرارتی خوب، سختی بالا، فاصله باند گسترده، مقاومت در برابر دمای بالا و مقاومت در برابر تشعشع است. بنابراین، پتانسیل زیادی در الکترونیک، اپتوالکترونیک، حسگرها و کاربردها در شرایط سخت دارد، توسعه و نوآوری فناوری‌های مرتبط را ارتقا می‌دهد و پتانسیل کاربرد گسترده‌ای را در بسیاری از زمینه‌ها نشان می‌دهد:

اول: به ویژه در محیط های ولتاژ بالا، فرکانس بالا و دمای بالا، ولتاژ شکست بالا و تحرک الکترون بالا 3C-SiC آن را به گزینه ای ایده آل برای تولید دستگاه های قدرت مانند ماسفت تبدیل می کند [7]. دوم: کاربرد 3C-SiC در نانوالکترونیک و سیستم‌های میکروالکترومکانیکی (MEMS) از سازگاری آن با فناوری سیلیکون بهره می‌برد و امکان ساخت ساختارهای نانومقیاس مانند نانوالکترونیک و دستگاه‌های نانوالکترومکانیکی را فراهم می‌کند [8]. سوم: 3C-SiC به عنوان یک ماده نیمه هادی با شکاف پهن، برای ساخت مواد مناسب است.دیودهای ساطع نور آبی(LED). کاربرد آن در نورپردازی، فناوری نمایشگر و لیزر به دلیل کارایی نوری بالا و دوپینگ آسان آن مورد توجه قرار گرفته است [9]. چهارم: در عین حال، 3C-SiC برای تولید آشکارسازهای حساس به موقعیت، به ویژه آشکارسازهای حساس به موقعیت نقطه لیزری بر اساس اثر فتوولتائیک جانبی، که در شرایط بایاس صفر حساسیت بالایی از خود نشان می‌دهند و برای موقعیت‌یابی دقیق مناسب هستند، استفاده می‌شود [10] .

3. روش تهیه هترواپیتاکسی 3C SiC

روش های اصلی رشد هترواپیتاکسی 3C-SiC عبارتند ازرسوب بخار شیمیایی (CVD), اپیتاکسی تصعید (SE), اپیتاکسی فاز مایع (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 ترکیبی حاوی عناصر Si و C به محفظه واکنش منتقل می شود، گرم می شود و در دمای بالا تجزیه می شود و سپس اتم های Si و اتم های C بر روی بستر Si یا 6H-SiC، 15R- رسوب می کنند. SiC، بستر 4H-SiC [11]. دمای این واکنش معمولاً بین 1300-1500 درجه سانتیگراد است. منابع متداول Si شامل SiH4، TCS، MTS و غیره است و منابع C عمدتاً شامل C2H4، C3H8 و غیره است که H2 به عنوان گاز حامل است. فرآیند رشد عمدتاً شامل مراحل زیر است: 1. منبع واکنش فاز گاز به منطقه رسوب در جریان اصلی گاز منتقل می شود. 2. واکنش فاز گاز در لایه مرزی برای تولید پیش سازهای لایه نازک و محصولات جانبی رخ می دهد. 3. فرآیند رسوب، جذب و ترک خوردگی پیش ساز. 4. اتم های جذب شده مهاجرت کرده و روی سطح بستر بازسازی می شوند. 5. اتم های جذب شده هسته می شوند و روی سطح بستر رشد می کنند. 6. انتقال جرم گاز زائد پس از واکنش به منطقه جریان اصلی گاز و از محفظه واکنش خارج می شود. شکل 2 یک نمودار شماتیک از CVD است [12].

شکل 2 نمودار شماتیک CVD

روش اپیتاکسی تصعید (SE): شکل 3 یک نمودار ساختاری آزمایشی از روش SE برای تهیه 3C-SiC است. مراحل اصلی تجزیه و تصعید منبع SiC در ناحیه با دمای بالا، انتقال مواد تصعید، و واکنش و تبلور تصعیدها بر روی سطح بستر در دمای پایین‌تر است. جزئیات به شرح زیر است: بستر 6H-SiC یا 4H-SiC در بالای بوته قرار می گیرد، وپودر SiC با خلوص بالابه عنوان ماده خام SiC استفاده می شود و در قسمت پایینی قرار می گیردبوته گرافیتی. بوته با القای فرکانس رادیویی تا دمای 1900 تا 2100 درجه سانتیگراد گرم می شود و دمای بستر کمتر از منبع SiC کنترل می شود و یک گرادیان دمای محوری در داخل بوته تشکیل می دهد، به طوری که مواد SiC تصعید شده می توانند متراکم شده و بر روی بستر متبلور شوند. برای تشکیل 3C-SiC هترواپیتاکسیال.

مزایای اپیتاکسی سابلیمیشن عمدتاً در دو جنبه است: 1. دمای اپیتاکسی بالا است که می تواند عیوب کریستالی را کاهش دهد. 2. می توان آن را برای به دست آوردن سطح اچ شده در سطح اتمی اچ کرد. با این حال، در طول فرآیند رشد، منبع واکنش را نمی توان تنظیم کرد و نسبت سیلیکون به کربن، زمان، توالی های مختلف واکنش و غیره را نمی توان تغییر داد و در نتیجه کنترل پذیری فرآیند رشد کاهش می یابد.

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

اپیتاکسی پرتو مولکولی (MBE) یک فناوری رشد لایه نازک پیشرفته است که برای رشد لایه‌های اپیتاکسیال 3C-SiC بر روی بسترهای 4H-SiC یا 6H-SiC مناسب است. اصل اساسی این روش این است: در یک محیط خلاء فوق العاده بالا، از طریق کنترل دقیق گاز منبع، عناصر لایه همپایی در حال رشد گرم می شوند تا یک پرتو اتمی یا پرتو مولکولی جهت دار ایجاد کنند و بر روی سطح زیرلایه گرم شده برخورد کنند. رشد اپیتاکسیال شرایط رایج 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 نرخ رشد 0.01-0.1 nms-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، و همکاران. رسوب شیمیایی بخار فیلم های تک کریستالی β-SiC روی بستر سیلیکونی با لایه میانی SiC پاشیده شده [J]. مجله انجمن الکتروشیمیایی، 1980، 127 (12): 2674-2680.

[2] Ye Zhizhen, Wang Yadong, Huang Jingyun, et al. تحقیق در مورد رشد لایه های نازک مبتنی بر سیلیکون کاربید [J] مجله علم و فناوری خلاء، 2002، 022(001): .

[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] Chen Yao، Zhao Fuqiang، Zhu Bingxian، He Shuai مروری بر توسعه دستگاه های قدرت کاربید سیلیکون در داخل و خارج از کشور [J]، 2020: 49-54.

[6] Li X، Wang G. رشد CVD لایه‌های 3C-SiC روی بسترهای 4H-SiC با مورفولوژی بهبود یافته [J]. ارتباطات حالت 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 مبتنی بر اثر فتوولتائیک [J]. مواد و رابط های کاربردی ACS، 2019: 40987.

[11] رشد هترواپیتاکسی 3C/4H-SiC: شناسایی نقص و تکامل [D].

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

[13] Diani M، Simon L، Kubler L، و همکاران. رشد کریستالی پلی‌تیپ 3C-SiC روی بستر 6H-SiC(0001) [J]. مجله رشد کریستال، 2002، 235 (1): 95-102.