3C-SiC heteroepitaksia: ülevaade

1. 3C-SiC ajalooline areng

3C-SiC, ränikarbiidi oluline polütüüp, areng peegeldab pooljuhtmaterjalide teaduse pidevat arengut. 1980. aastatel Nishino jt. esmakordselt saavutati 4 μm paksune 3C-SiC kile ränisubstraadil, kasutades keemilist aurustamise sadestamist (CVD)[1], mis pani aluse 3C-SiC õhukese kile tehnoloogiale.

1990. aastad tähistasid ränikarbiidi uurimise kuldaega. Cree Research Inc. 6H-SiC ja 4H-SiC kiipide turuletoomine vastavalt 1991. ja 1994. aastal ajendas SiC pooljuhtseadmete turule toomist. See tehnoloogiline areng pani aluse 3C-SiC edasistele uuringutele ja rakendustele.

21. sajandi alguses nägi Hiinas märkimisväärset edu ka ränipõhiste SiC-kilede osas. Ye Zhizhen et al. valmistasid 2002. aastal CVD-d madalatel temperatuuridel ränisubstraatidel SiC kilesid [2], samas kui An Xia et al. saavutas 2001. aastal toatemperatuuril magnetroni pihustamisega sarnaseid tulemusi[3].

Kuid suur võre mittevastavus Si ja SiC vahel (ligikaudu 20%) põhjustas 3C-SiC epitaksiaalses kihis suure defektide tiheduse, eriti topeltpositsioneerimispiirid (DPB). Selle leevendamiseks valisid teadlased substraadid nagu 6H-SiC, 15R-SiC või 4H-SiC (0001) orientatsiooniga 3C-SiC epitaksiaalsete kihtide kasvatamiseks, vähendades seeläbi defektide tihedust. Näiteks 2012. aastal leidsid Seki, Kazuaki jt. pakkus välja kineetilise polümorfismi kontrollimise tehnika, millega saavutatakse 3C-SiC ja 6H-SiC selektiivne kasv 6H-SiC(0001) seemnetel, kontrollides üleküllastumist[4-5]. 2023. aastal tegid Xun Li jt. saavutas 4H-SiC substraatidel edukalt siledad 3C-SiC epitaksiaalsed kihid, mis ei sisalda DPB-sid, kasutades optimeeritud CVD kasvu kiirusega 14 μm/h [6].

2. 3C-SiC kristallstruktuur ja rakendused

Arvukate SiC polütüüpide hulgas on 3C-SiC, tuntud ka kui β-SiC, ainuke kuubikujuline polütüüp. Selles kristallstruktuuris eksisteerivad Si ja C aatomid suhtega üks-ühele, moodustades tugevate kovalentsete sidemetega tetraeedrilise raku. Struktuuri iseloomustavad Si-C kaksikkihid, mis on paigutatud järjestusse ABC-ABC-…, kusjuures iga ühikrakk sisaldab kolme sellist kaksikkihti, mida tähistatakse C3-tähistusega. Joonis 1 illustreerib 3C-SiC kristallstruktuuri.

                                                                                                                                                                           Joonis 1. 3C-SiC kristallstruktuur

Praegu on räni (Si) jõuseadmetes kõige laialdasemalt kasutatav pooljuhtmaterjal. Kuid selle loomupärased piirangud piiravad selle toimivust. Võrreldes 4H-SiC-ga ja 6H-SiC-ga on 3C-SiC-l suurim teoreetiline elektronide liikuvus toatemperatuuril (1000 cm2·V-1·s-1), mistõttu on see MOSFET-rakenduste jaoks soodsam. Lisaks muudavad selle kõrge läbilöögipinge, suurepärane soojusjuhtivus, kõrge kõvadus, lai ribalaius, kõrge temperatuurikindlus ja kiirguskindlus 3C-SiC paljulubavaks kasutamiseks elektroonikas, optoelektroonikas, andurites ja ekstreemsetes keskkondades:

Suure võimsusega, kõrge sagedusega ja kõrge temperatuuriga rakendused: 3C-SiC kõrge läbilöögipinge ja suur elektronide liikuvus muudavad selle ideaalseks toiteseadmete, näiteks MOSFET-ide tootmiseks, eriti nõudlikes keskkondades[7].

Nanoelektroonika ja mikroelektromehaanilised süsteemid (MEMS): selle ühilduvus ränitehnoloogiaga võimaldab valmistada nanomõõtmelisi struktuure, võimaldades rakendusi nanoelektroonikas ja MEMS-seadmetes[8].

Optoelektroonika:Laia ribalaiusega pooljuhtmaterjalina sobib 3C-SiC siniste valgusdioodide (LED) jaoks. Selle kõrge valgustõhusus ja dopingu lihtsus muudavad selle atraktiivseks valgustuse, kuvatehnoloogia ja laserite jaoks[9].

Andurid:3C-SiC kasutatakse asukohatundlikes detektorites, eriti laserpunkti asukohatundlikes detektorites, mis põhinevad külgmisel fotogalvaanilisel efektil. Nendel detektoritel on suur tundlikkus nulli kallutatuse tingimustes, mistõttu need sobivad täppispositsioneerimise rakendusteks[10].

3. 3C-SiC heteroepitaksia valmistamismeetodid

3C-SiC heteroepitaksia levinumate meetodite hulka kuuluvad keemiline aurustamine-sadestamine (CVD), sublimatsioonepitaksia (SE), vedelfaasi epitaksia (LPE), molekulaarkiirepitaksia (MBE) ja magnetroni pihustamine. CVD on eelistatud meetod 3C-SiC epitakseerimiseks, kuna see on juhitav ja kohandatav temperatuuri, gaasivoolu, kambri rõhu ja reaktsiooniaja osas, mis võimaldab optimeerida epitaksiaalse kihi kvaliteeti.

Keemiline aurustamine-sadestamine (CVD):Si ja C sisaldavad gaasilised ühendid viiakse reaktsioonikambrisse ja kuumutatakse kõrge temperatuurini, mis viib nende lagunemiseni. Si- ja C-aatomid sadestuvad seejärel substraadile, tavaliselt Si, 6H-SiC, 15R-SiC või 4H-SiC [11]. See reaktsioon toimub tavaliselt vahemikus 1300-1500 °C. Levinud Si allikad on SiH4, TCS ja MTS, samas kui C allikad on peamiselt C2H4 ja C3H8, kusjuures H2 on kandegaas. Joonisel 2 on kujutatud CVD-protsessi skeemi[12].

                                                                                                                                                               Joonis 2. CVD protsessi skeem

Sublimatsiooniepitaksia (SE):Selle meetodi puhul asetatakse tiigli ülaossa 6H-SiC või 4H-SiC substraat, mille allosas on lähtematerjalina kõrge puhtusastmega SiC pulber. Tiigel kuumutatakse raadiosagedusliku induktsiooni abil temperatuurini 1900–2100 °C, hoides substraadi temperatuuri lähtetemperatuurist madalamal, et luua aksiaalne temperatuurigradient. See võimaldab sublimeeritud ränidioksiidil substraadil kondenseeruda ja kristalliseeruda, moodustades 3C-SiC heteroepitaksia.

Molekulaarkiire epitaksia (MBE):See täiustatud õhukese kile kasvutehnika sobib 3C-SiC epitaksiaalsete kihtide kasvatamiseks 4H-SiC või 6H-SiC substraatidel. Ülikõrges vaakumis võimaldab lähtegaaside täpne juhtimine moodustada koostisosadest suunatud aatom- või molekulaarkiire. Need talad on epitaksiaalseks kasvuks suunatud kuumutatud substraadi pinna poole.

4. Kokkuvõte ja väljavaade

Tänu pidevatele tehnoloogilistele edusammudele ja põhjalikele mehaanilistele uuringutele on 3C-SiC heteroepitaksia valmis mängima pooljuhtide tööstuses üha olulisemat rolli, aidates kaasa energiatõhusate elektroonikaseadmete arendamisele. Uute kasvumeetodite uurimine, nagu HCl-atmosfääride kasutuselevõtt kasvukiiruse suurendamiseks, säilitades samal ajal madala defektitiheduse, on paljulubav viis tulevaste uuringute jaoks. Defektide tekkemehhanismide edasine uurimine ja täiustatud iseloomustustehnikate väljatöötamine võimaldab täpset defektide kontrolli ja optimeerida materjali omadusi. Kvaliteetsete paksude 3C-SiC kilede kiire kasv on ülioluline kõrgepingeseadmete nõudmiste rahuldamiseks, mistõttu on vaja täiendavaid uuringuid, et leida tasakaal kasvukiiruse ja materjali ühtluse vahel. Kasutades 3C-SiC rakendusi heterostruktuurides nagu SiC/GaN, saab täielikult uurida selle potentsiaali uudsetes seadmetes, nagu jõuelektroonika, optoelektrooniline integratsioon ja kvantteabe töötlemine.

Viited:

[1] Nishino S , Hazuki Y , Matsunami H jt. Üksikkristalliliste β-SiC kilede keemiline aurude sadestamine pihustatud SiC vahekihiga ränisubstraadil [J]. Journal of The Electrochemical Society, 1980, 127(12):2674-2680.

[2] Ye Zhizhen, Wang Yadong, Huang Jingyun jt ränipõhiste ränikarbiidi õhukeste kilede kasvu uurimine madalal temperatuuril [J] Journal of Vacuum Science and Technology, 2002, 022(001):58-60. .

[3] An Xia, Zhuang Huizhao, Li Huaixiang jt Nano-SiC õhukeste kilede valmistamine (111) Si substraadil [J] Journal of Shandong Normal University: Natural Science Edition, 2001: 382-384 ..

[4] Seki K, Alexander, Kozawa S jt. SiC polütüübi-selektiivne kasv lahuse kasvu üleküllastuse kontrolliga [J]. Journal of Crystal Growth, 2012, 360:176-180.

[5] Chen Yao, Zhao Fuqiang, Zhu Bingxian, He Shuai Ülevaade ränikarbiidi jõuseadmete arendamisest kodu- ja välismaal [J], 2020: 49–54.

[6] Li X, Wang G. 3C-SiC kihtide CVD kasv täiustatud morfoloogiaga 4H-SiC substraatidel[J].Solid State Communications, 2023:371.

[7] Hou Kaiwen Si mustriga substraadi uurimine ja selle kasutamine 3C-SiC kasvus [D], 2018.

[8] Lars, Hiller, Thomas jt. Vesiniku efektid 3C-SiC(100) Mesa struktuuride ECR-Söövitamisel[J].Materials Science Forum, 2014.

[9] Xu Qingfang 3C-SiC õhukeste kilede valmistamine keemilise aurustamise teel [D], 2016.

[10] Foisal A R M, Nguyen T, Dinh T K, et al.3C-SiC/Si Heterostruktuur: suurepärane platvorm fotogalvaanilisel efektil põhinevate asukohatundlike detektorite jaoks[J].ACS Applied Materials & Interfaces, 2019: 40987.

[11] Xin Bin 3C/4H-SiC heteroepitaksiaalne kasv, mis põhineb CVD protsessil: defektide iseloomustus ja evolutsioon [D].

12

[13] Diani M, Simon L, Kubler L jt. 3C-SiC polütüübi kristallide kasv 6H-SiC(0001) substraadil [J]. Journal of Crystal Growth, 2002, 235(1):95-102.