3C-SiC:n heteroepitaksia: Yleiskatsaus

1. 3C-SiC:n historiallinen kehitys

3C-SiC:n, merkittävän piikarbidin polytyypin, kehitys heijastaa puolijohdemateriaalitieteen jatkuvaa kehitystä. 1980-luvulla Nishino et al. ensin saavutettiin 4 μm paksu 3C-SiC-kalvo piisubstraatille käyttämällä kemiallista höyrypinnoitusta (CVD)[1], mikä loi perustan 3C-SiC-ohutkalvoteknologialle.

1990-luku oli piikarbidin tutkimuksen kulta-aikaa. Cree Research Inc. lanseerasi 6H-SiC- ja 4H-SiC-sirut vuonna 1991 ja 1994, mikä vauhditti SiC-puolijohdelaitteiden kaupallistamista. Tämä teknologinen kehitys loi pohjan myöhemmälle 3C-SiC:n tutkimukselle ja sovelluksille.

2000-luvun alussa piipohjaiset piikarbidikalvot edistyivät merkittävästi myös Kiinassa. Ye Zhizhen et ai. valmistivat piikarbidikalvoja piisubstraateille käyttämällä CVD:tä alhaisissa lämpötiloissa vuonna 2002[2], kun taas An Xia et al. saavutti samanlaisia ​​tuloksia käyttämällä magnetronisputterointia huoneenlämpötilassa vuonna 2001[3].

Kuitenkin suuri ristiriita Si:n ja SiC:n välillä (noin 20 %) johti korkeaan vikatiheyteen 3C-SiC-epitaksiaalisessa kerroksessa, erityisesti kaksinkertaisiin paikannusrajoihin (DPB). Tämän lieventämiseksi tutkijat valitsivat substraatit, kuten 6H-SiC, 15R-SiC tai 4H-SiC, joiden suunta on (0001) 3C-SiC-epitaksiaalisten kerrosten kasvattamiseen, mikä vähentää virhetiheyttä. Esimerkiksi vuonna 2012 Seki, Kazuaki et al. ehdotti kineettisen polymorfismin hallintatekniikkaa, jolla saavutetaan 3C-SiC:n ja 6H-SiC:n selektiivinen kasvu 6H-SiC(0001)-siemenillä säätelemällä ylikylläisyyttä[4-5]. Vuonna 2023 Xun Li et al. onnistui saavuttamaan sileät 3C-SiC-epitaksiaaliset kerrokset, joissa ei ollut DPB:itä 4H-SiC-substraateille käyttämällä optimoitua CVD-kasvua nopeudella 14 μm/h [6].

2. 3C-SiC:n kiderakenne ja sovellukset

Lukuisten SiC-polytyyppien joukossa 3C-SiC, joka tunnetaan myös nimellä β-SiC, on ainoa kuutioinen polytyyppi. Tässä kiderakenteessa Si- ja C-atomit ovat yksi-yhteen-suhteessa muodostaen tetraedrisen yksikkökennon, jossa on vahvat kovalenttiset sidokset. Rakenteelle on tunnusomaista Si-C-kaksoiskerrokset, jotka on järjestetty ABC-ABC-…-sekvenssiin, jolloin jokainen yksikkösolu sisältää kolme tällaista kaksoiskerrosta, joita merkitään C3-merkinnällä. Kuva 1 havainnollistaa 3C-SiC:n kiderakennetta.

                                                                                                                                                                           Kuva 1. 3C-SiC:n kiderakenne

Tällä hetkellä pii (Si) on laajimmin käytetty puolijohdemateriaali teholaitteissa. Kuitenkin sen luontaiset rajoitukset rajoittavat sen suorituskykyä. Verrattuna 4H-SiC:iin ja 6H-SiC:iin, 3C-SiC:llä on suurin teoreettinen elektronien liikkuvuus huoneenlämpötilassa (1000 cm2·V-1·s-1), mikä tekee siitä edullisemman MOSFET-sovelluksissa. Lisäksi sen korkea läpilyöntijännite, erinomainen lämmönjohtavuus, korkea kovuus, laaja kaistaväli, korkean lämpötilan kestävyys ja säteilynkestävyys tekevät 3C-SiC:stä erittäin lupaavan elektroniikassa, optoelektroniikassa, antureissa ja äärimmäisissä ympäristöissä:

Suuritehoiset, korkeataajuiset ja korkean lämpötilan sovellukset: 3C-SiC:n korkea läpilyöntijännite ja suuri elektronien liikkuvuus tekevät siitä ihanteellisen teholaitteiden, kuten MOSFETien, valmistukseen erityisesti vaativissa ympäristöissä[7].

Nanoelektroniikka ja mikroelektromekaaniset järjestelmät (MEMS): Sen yhteensopivuus piiteknologian kanssa mahdollistaa nanomittakaavan rakenteiden valmistamisen, mikä mahdollistaa sovellukset nanoelektroniikassa ja MEMS-laitteissa[8].

Optoelektroniikka:Laajakaistaisena puolijohdemateriaalina 3C-SiC sopii sinisiin valodiodeihin (LED). Sen korkea valotehokkuus ja helppo doping tekevät siitä houkuttelevan valaistukseen, näyttöteknologioihin ja lasereihin[9].

Anturit:3C-SiC:tä käytetään paikkaherkissä ilmaisimissa, erityisesti laserpisteen sijaintiherkissä ilmaisimissa, jotka perustuvat lateraaliseen aurinkosähkövaikutukseen. Nämä ilmaisimet osoittavat suurta herkkyyttä nollabias-olosuhteissa, joten ne sopivat tarkkoihin paikannussovelluksiin[10].

3. Valmistusmenetelmät 3C-SiC-heteroepitaksia varten

Yleisiä menetelmiä 3C-SiC-heteroepitaksia varten ovat kemiallinen höyrypinnoitus (CVD), sublimaatioepitaksi (SE), nestefaasiepitaksi (LPE), molekyylisuihkuepitaksi (MBE) ja magnetronisputterointi. CVD on suositeltu menetelmä 3C-SiC-epitaksialle, koska se on säädettävissä ja mukautettavissa lämpötilan, kaasuvirtauksen, kammiopaineen ja reaktioajan suhteen, mikä mahdollistaa epitaksiaalikerroksen laadun optimoinnin.

Kemiallinen höyrypinnoitus (CVD):Siia ja C:tä sisältävät kaasumaiset yhdisteet viedään reaktiokammioon ja kuumennetaan korkeisiin lämpötiloihin, mikä johtaa niiden hajoamiseen. Si- ja C-atomit kerrostuvat sitten substraatille, tyypillisesti Si, 6H-SiC, 15R-SiC tai 4H-SiC [11]. Tämä reaktio tapahtuu tyypillisesti välillä 1300-1500°C. Yleisiä Si-lähteitä ovat SiH4, TCS ja MTS, kun taas C-lähteet ovat pääasiassa C2H4 ja C3H8, ja H2 on kantokaasu. Kuvassa 2 on kaavio CVD-prosessista[12].

                                                                                                                                                               Kuva 2. Kaavio CVD-prosessista

Sublimaatioepitaksi (SE):Tässä menetelmässä upokkaan yläosaan sijoitetaan 6H-SiC- tai 4H-SiC-substraatti, jonka pohjalla on lähdemateriaalina erittäin puhdasta piikarbidijauhetta. Upokas kuumennetaan 1900-2100 °C:seen radiotaajuusinduktiolla pitäen substraatin lämpötila lähdelämpötilaa alhaisempana aksiaalisen lämpötilagradientin luomiseksi. Tämä mahdollistaa sublimoidun piikarbidin kondensoitumisen ja kiteytymisen alustalle muodostaen 3C-SiC-heteroepitaksia.

Molecular Beam Epitaxy (MBE):Tämä edistynyt ohutkalvokasvatustekniikka soveltuu 3C-SiC-epitaksiaalisten kerrosten kasvattamiseen 4H-SiC- tai 6H-SiC-substraateilla. Ultrakorkeassa tyhjiössä lähdekaasujen tarkka hallinta mahdollistaa aineosien suuntautuneiden atomi- tai molekyylisäteiden muodostamisen. Nämä säteet suunnataan kohti kuumennettua substraatin pintaa epitaksiaalista kasvua varten.

4. Päätelmät ja näkymät

Jatkuvan teknologisen kehityksen ja perusteellisten mekanististen tutkimusten ansiosta 3C-SiC-heteroepitaksia on valmis olemaan yhä tärkeämpi rooli puolijohdeteollisuudessa, mikä edistää energiatehokkaiden elektronisten laitteiden kehitystä. Uusien kasvutekniikoiden tutkiminen, kuten HCl-ilmakehän käyttöönotto kasvunopeuden parantamiseksi säilyttäen samalla alhainen vikatiheys, on lupaava tapa tulevalle tutkimukselle. Vianmuodostusmekanismien lisätutkimus ja kehittyneiden karakterisointitekniikoiden kehittäminen mahdollistavat tarkan vianhallinnan ja optimoidut materiaaliominaisuudet. Korkealaatuisten, paksujen 3C-SiC-kalvojen nopea kasvu on ratkaisevan tärkeää suurjännitelaitteiden vaatimusten täyttämiseksi, mikä vaatii lisätutkimusta kasvunopeuden ja materiaalin tasaisuuden välisen tasapainon löytämiseksi. Hyödyntämällä 3C-SiC:n sovelluksia heterorakenteissa, kuten SiC/GaN, sen potentiaalia uusissa laitteissa, kuten tehoelektroniikassa, optoelektronisessa integraatiossa ja kvanttitietojen käsittelyssä, voidaan tutkia täysin.

Viitteet:

[1] Nishino S, Hazuki Y, Matsunami H, et ai. Yksikiteisten β-SiC-kalvojen kemiallinen höyrysaostus piisubstraatille, jossa on ruiskutettua piikarbidivälikerrosta [J]. Journal of The Electrochemical Society, 1980, 127(12):2674-2680.

[2] Ye Zhizhen, Wang Yadong, Huang Jingyun et ai. Tutkimus piipohjaisten piikarbidikalvojen kasvusta matalassa lämpötilassa [J] Journal of Vacuum Science and Technology, 2002, 022(001):58-60. .

[3] An Xia, Zhuang Huizhao, Li Huaixiang, et ai. Nano-SiC-ohutkalvojen valmistaminen magnetronisputteroinnilla (111) Si-substraatilla [J] Journal of Shandong Normal University: Natural Science Edition, 2001: 382-384 ..

[4] Seki K, Alexander, Kozawa S, et ai. SiC:n polytyyppiselektiivinen kasvu ylikyllästyskontrollilla liuoksen kasvussa [J]. Journal of Crystal Growth, 2012, 360:176-180.

[5] Chen Yao, Zhao Fuqiang, Zhu Bingxian, He Shuai Katsaus piikarbiditeholaitteiden kehitykseen kotimaassa ja ulkomailla [J], 2020: 49-54.

[6] Li X, Wang G. 3C-SiC-kerrosten CVD-kasvu 4H-SiC-substraateilla, joilla on parannettu morfologia[J].Solid State Communications, 2023:371.

[7] Hou Kaiwen Si-kuvioidun substraatin tutkimus ja sen käyttö 3C-SiC-kasvussa [D], 2018.

[8] Lars, Hiller, Thomas et al. Vetyvaikutukset 3C-SiC(100) Mesa -rakenteiden ECR-etsauksessa[J]. Materials Science Forum, 2014.

[9] Xu Qingfang 3C-SiC-ohutkalvojen valmistus laserkemiallisella höyrypinnoituksella [D], 2016.

[10] Foisal ARM, Nguyen T, Dinh T K, et al.3C-SiC/Si Heterostructure: Erinomainen alusta paikkaherkille ilmaisimille, jotka perustuvat aurinkosähkövaikutukseen[J].ACS Applied Materials & Interfaces, 2019: 40987.

[11] Xin Bin 3C/4H-SiC heteroepitaksiaalinen kasvu perustuu CVD-prosessiin: vikojen karakterisointi ja evoluutio [D].

[12] Dong Lin. Suuren alueen monikiekkojen epitaksiaalinen kasvuteknologia ja piikarbidin fyysisten ominaisuuksien karakterisointi [D] Kiinan tiedeakatemian yliopisto, 2014.

[13] Diani M, Simon L, Kubler L, et ai. 3C-SiC-polytyypin kidekasvatus 6H-SiC(0001)-substraatilla [J]. Journal of Crystal Growth, 2002, 235(1):95-102.