Sejarah Perkembangan 3C SiC

Minangka wangun penting sakasilikon karbida, sajarah pembangunan saka3C-SiCnggambarake kemajuan terus-terusan ilmu materi semikonduktor. Ing taun 1980-an, Nishino et al. pisanan entuk film tipis 4um 3C-SiC ing substrat silikon kanthi deposisi uap kimia (CVD) [1], sing nggawe dhasar kanggo teknologi film tipis 3C-SiC.

Taun 1990-an minangka jaman keemasan riset SiC. Cree Research Inc. ngluncurake chip 6H-SiC lan 4H-SiC ing taun 1991 lan 1994, promosi komersialisasiSiC semiconductor devices. Kemajuan teknologi sajrone periode kasebut nggawe dhasar kanggo riset lan aplikasi 3C-SiC sabanjure.

Ing wiwitan abad kaping 21,film tipis SiC basis silikon domestikuga dikembangaké kanggo ombone tartamtu. Ye Zhizhen et al. nyiapake film tipis SiC basis silikon dening CVD ing kondisi suhu sing kurang ing 2002 [2]. Ing taun 2001, An Xia et al. nyiyapake film tipis SiC berbasis silikon kanthi magnetron sputtering ing suhu kamar [3].

Nanging, amarga bedane gedhe antarane konstanta kisi Si lan SiC (udakara 20%), kapadhetan cacat lapisan epitaxial 3C-SiC relatif dhuwur, utamane cacat kembar kayata DPB. Kanggo nyuda mismatch kisi, peneliti nggunakake 6H-SiC, 15R-SiC utawa 4H-SiC ing permukaan (0001) minangka substrat kanggo tuwuh lapisan epitaxial 3C-SiC lan nyuda Kapadhetan cacat. Contone, ing 2012, Seki, Kazuaki et al. ngusulake teknologi kontrol epitaksi polimorfik dinamis, sing nyadari pertumbuhan selektif polimorfik 3C-SiC lan 6H-SiC ing wiji lumahing 6H-SiC (0001) kanthi ngontrol supersaturasi [4-5]. Ing taun 2023, peneliti kayata Xun Li nggunakake metode CVD kanggo ngoptimalake wutah lan proses, lan kasil entuk 3C-SiC sing lancarlapisan epitaxialkanthi ora ana cacat DPB ing permukaan ing substrat 4H-SiC kanthi tingkat pertumbuhan 14um / jam [6].

Struktur Kristal lan Bidang Aplikasi saka 3C SiC

Ing antarane akeh politipe SiCD, 3C-SiC minangka siji-sijine politipe kubik, uga dikenal minangka β-SiC. Ing struktur kristal iki, atom Si lan C ana ing rasio siji-kanggo-siji ing kisi, lan saben atom diubengi dening papat atom heterogen, mbentuk unit struktural tetrahedral karo ikatan kovalen kuwat. Fitur struktural 3C-SiC yaiku lapisan diatomik Si-C bola-bali disusun miturut urutan ABC-ABC-…, lan saben sel unit ngandhut telung lapisan diatomik kasebut, sing diarani perwakilan C3; struktur kristal 3C-SiC ditampilake ing gambar ing ngisor iki:

Gambar 1 Struktur kristal 3C-SiC

Saiki, silikon (Si) minangka bahan semikonduktor sing paling umum digunakake kanggo piranti listrik. Nanging, amarga kinerja Si, piranti daya basis silikon diwatesi. Dibandhingake karo 4H-SiC lan 6H-SiC, 3C-SiC nduweni mobilitas elektron teoritis suhu kamar paling dhuwur (1000 cm · V-1 · S-1), lan duwe kaluwihan liyane ing aplikasi piranti MOS. Ing wektu sing padha, 3C-SiC uga nduweni sifat sing apik kayata tegangan rusak sing dhuwur, konduktivitas termal sing apik, kekerasan dhuwur, celah pita lebar, tahan suhu dhuwur, lan tahan radiasi. Mulane, nduweni potensial gedhe ing elektronika, optoelektronik, sensor, lan aplikasi ing kahanan sing ekstrem, promosi pangembangan lan inovasi teknologi sing gegandhengan, lan nuduhake potensial aplikasi sing akeh ing pirang-pirang lapangan:

Pisanan: Utamane ing lingkungan voltase dhuwur, frekuensi dhuwur lan suhu dhuwur, voltase risak dhuwur lan mobilitas elektron dhuwur 3C-SiC ndadekake pilihan becik kanggo manufaktur piranti daya kayata MOSFET [7]. Kapindho: Aplikasi 3C-SiC ing sistem nanoelectronics lan microelectromechanical (MEMS) entuk manfaat saka kompatibilitas karo teknologi silikon, saéngga nggawe struktur skala nano kayata nanoelectronics lan piranti nanoelectromechanical [8]. Katelu: Minangka bahan semikonduktor celah pita lebar, 3C-SiC cocok kanggo nggawedioda cahya biru(LED). Aplikasi ing cahya, teknologi tampilan lan laser wis narik kawigaten manungsa waé amarga efisiensi cahya dhuwur lan doping gampang [9]. Papat: Ing wektu sing padha, 3C-SiC digunakake kanggo nggawe detektor sensitif posisi, utamane detektor sensitif posisi titik laser adhedhasar efek fotovoltaik lateral, sing nuduhake sensitivitas dhuwur ing kondisi bias nol lan cocok kanggo posisi sing tepat [10] .

3. Cara persiapan heteroepitaksi 3C SiC

Cara pertumbuhan utama 3C-SiC heteroepitaxy kalebudeposisi uap kimia (CVD), sublimasi epitaksi (SE), epitaksi fase cair (LPE), molecular beam epitaxy (MBE), magnetron sputtering, etc. CVD minangka cara sing disenengi kanggo 3C-SiC epitaxy amarga kontrol lan adaptasi (kayata suhu, aliran gas, tekanan kamar lan wektu reaksi, sing bisa ngoptimalake kualitas lapisan epitaxial).

Deposisi uap kimia (CVD): Gas senyawa sing ngemot unsur Si lan C dilebokake menyang kamar reaksi, digawe panas lan diurai ing suhu dhuwur, banjur atom Si lan atom C diendapke ing substrat Si, utawa 6H-SiC, 15R- Substrat SiC, 4H-SiC [11]. Suhu reaksi iki biasane antarane 1300-1500 ℃. Sumber Si umum kalebu SiH4, TCS, MTS, lan sapiturute, lan sumber C utamane kalebu C2H4, C3H8, lan liya-liyane, kanthi H2 minangka gas pembawa. Proses wutah utamane kalebu langkah-langkah ing ngisor iki: 1. Sumber reaksi fase gas diangkut menyang zona deposisi ing aliran gas utama. 2. Reaksi fase gas dumadi ing lapisan wates kanggo ngasilake prekursor film tipis lan produk sampingan. 3. Proses presipitasi, adsorpsi lan retak saka prekursor. 4. Atom adsorbed migrasi lan mbangun maneh ing lumahing substrat. 5. Atom adsorbed nukleasi lan tuwuh ing permukaan substrat. 6. Transportasi massa gas sampah sawise reaksi menyang zona aliran gas utama lan dijupuk metu saka kamar reaksi. Gambar 2 minangka diagram skematis CVD [12].

Gambar 2 Diagram skematis CVD

Metode sublimasi epitaksi (SE): Gambar 3 minangka diagram struktur eksperimen saka metode SE kanggo nyiapake 3C-SiC. Langkah-langkah utama yaiku dekomposisi lan sublimasi sumber SiC ing zona suhu dhuwur, transportasi sublimat, lan reaksi lan kristalisasi sublimat ing permukaan substrat ing suhu sing luwih murah. Rinciane kaya ing ngisor iki: Substrat 6H-SiC utawa 4H-SiC diselehake ing ndhuwur crucible, lanbubuk SiC kemurnian dhuwurdigunakake minangka bahan mentah SiC lan diselehake ing sisih ngisorwadhah grafit. Crucible digawe panas nganti 1900-2100 ℃ kanthi induksi frekuensi radio, lan suhu substrate dikontrol dadi luwih murah tinimbang sumber SiC, mbentuk gradien suhu aksial ing jero crucible, supaya materi SiC sing disublimasi bisa ngembun lan kristal ing landasan. kanggo mbentuk 3C-SiC heteroepitaxial.

Kaluwihan epitaxy sublimasi utamane ing rong aspek: 1. Suhu epitaksi dhuwur, sing bisa nyuda cacat kristal; 2. Bisa etched kanggo njupuk lumahing etched ing tingkat atom. Nanging, sajrone proses wutah, sumber reaksi ora bisa diatur, lan rasio silikon-karbon, wektu, macem-macem urutan reaksi, lan liya-liyane ora bisa diganti, nyebabake nyuda kontrol proses pertumbuhan.

Gambar 3 Diagram skematis metode SE kanggo ngembangake epitaksi 3C-SiC

Molecular beam epitaxy (MBE) minangka teknologi pertumbuhan film tipis sing maju, sing cocog kanggo ngembangake lapisan epitaxial 3C-SiC ing substrat 4H-SiC utawa 6H-SiC. Prinsip dhasar metode iki yaiku: ing lingkungan vakum sing dhuwur banget, liwat kontrol gas sumber sing tepat, unsur-unsur lapisan epitaxial sing akeh dipanasake kanggo mbentuk sinar atom arah utawa sinar molekul lan kedadeyan ing permukaan substrat sing digawe panas kanggo wutah epitaxial. Kondisi umum kanggo tuwuh 3C-SiClapisan epitaxialing substrat 4H-SiC utawa 6H-SiC yaiku: ing kahanan sing sugih silikon, graphene lan sumber karbon murni digayuh dadi zat gas kanthi bedhil elektron, lan 1200-1350 ℃ digunakake minangka suhu reaksi. Wutah heteroepitaxial 3C-SiC bisa dipikolehi kanthi tingkat pertumbuhan 0,01-0,1 nms-1 [13].

Kesimpulan lan Prospek

Liwat kemajuan teknologi sing terus-terusan lan riset mekanisme sing jero, teknologi heteroepitaxial 3C-SiC samesthine bakal duwe peran sing luwih penting ing industri semikonduktor lan ningkatake pangembangan piranti elektronik kanthi efisiensi dhuwur. Contone, terus kanggo njelajah Techniques wutah anyar lan Sastranegara, kayata ngenalke atmosfer HCl kanggo nambah tingkat wutah nalika njaga Kapadhetan kurang cacat, iku arah riset mangsa; riset ing-ambane ing mekanisme tatanan cacat, lan pangembangan Techniques karakterisasi luwih maju, kayata photoluminescence lan analisis cathodoluminescence, kanggo entuk kontrol cacat luwih tepat lan ngoptimalake sifat materi; wutah kanthi cepet saka kualitas dhuwur film nglukis 3C-SiC tombol kanggo nyukupi kabutuhan piranti voltase dhuwur, lan riset luwih dibutuhake kanggo ngatasi imbangan antarane tingkat wutah lan uniformity materi; digabungake karo aplikasi 3C-SiC ing struktur heterogen kayata SiC / GaN, njelajah aplikasi potensial ing piranti anyar kayata elektronika daya, integrasi optoelektronik lan pangolahan informasi kuantum.

Referensi:

[1] Nishino S, Hazuki Y, Matsunami H, et al. Deposisi Uap Kimia saka Film β-SiC Kristal Tunggal ing Substrat Silikon kanthi Lapisan Penengah SiC Sputtered [J].Journal of The Electrochemical Society, 1980, 127(12):2674-2680.

[2] Ye Zhizhen, Wang Yadong, Huang Jingyun, et al. Riset babagan pertumbuhan suhu rendah film tipis silikon karbida [J]. .

[3] An Xia, Zhuang Huizhao, Li Huaixiang, et al. Preparation of nano-SiC film tipis dening magnetron sputtering ing (111) Si substrate [J]. ..

[4] Seki K, Alexander, Kozawa S, et al. Wutah politipe-selektif saka SiC kanthi kontrol supersaturasi ing wutah solusi [J]. Jurnal Pertumbuhan Kristal, 2012, 360: 176-180.

[5] Chen Yao, Zhao Fuqiang, Zhu Bingxian, He Shuai Ringkesan pangembangan piranti listrik karbida silikon ing omah lan ing luar negeri [J].

[6] Li X, Wang G. Wutah CVD saka lapisan 3C-SiC ing substrat 4H-SiC kanthi morfologi sing luwih apik [J].Solid State Communications, 2023:371.

[7] Hou Kaiwen Riset babagan substrat berpola Si lan aplikasi ing 3C-SiC Universitas Teknologi, 2018.

[8] Lars, Hiller, Thomas, et al. Efek Hidrogen ing ECR-Etching saka 3C-SiC(100) Mesa Structures[J].Materials Science Forum, 2014.

[9] Xu Qingfang Persiapan film tipis 3C-SiC kanthi deposisi uap kimia laser [D].

[10] Foisal A R M , Nguyen T , Dinh T K , et al.3C-SiC/Si Heterostructure: Platform sing Apik banget kanggo Detektor Sensitif Posisi Adhedhasar Efek Fotovoltaik[J].ACS Applied Materials & Interfaces, 2019: 40980-40987.

[11] Xin Bin. 3C / 4H-SiC pertumbuhan heteroepitaxial adhedhasar proses CVD: karakterisasi cacat lan evolusi [D].

[12] Dong Lin. Teknologi pertumbuhan epitaxial multi-wafer gedhe lan karakterisasi sifat fisik silikon karbida [D].

[13] Diani M , Simon L , Kubler L ,et al. Wutah kristal politipe 3C-SiC ing substrat 6H-SiC (0001) [J]. Jurnal Pertumbuhan Kristal, 2002, 235 (1): 95-102.