La storia dello sviluppo di 3c Sic

Come una forma importante dicarburo di silicio, la storia dello sviluppo di3c-siCriflette il continuo progresso della scienza dei materiali semiconduttori. Negli anni '80 Nishino et al. ha ottenuto per la prima volta film sottili 3C-SiC da 4um su substrati di silicio mediante deposizione chimica da fase vapore (CVD) [1], che ha gettato le basi per la tecnologia a film sottile 3C-SiC.

Gli anni ’90 sono stati l’età d’oro della ricerca sul SiC. Cree Research Inc. ha lanciato i chip 6H-SiC e 4H-SiC rispettivamente nel 1991 e nel 1994, promuovendo la commercializzazione diDispositivi a semiconduttore SiC. Il progresso tecnologico durante questo periodo ha gettato le basi per la successiva ricerca e applicazione di 3C-SIC.

All'inizio del 21° secolo,film sottili SiC domestici a base di silicioanche sviluppato in una certa misura. Ye Zhizhen et al. film sottili SiC a base di silicio preparati mediante CVD in condizioni di bassa temperatura nel 2002 [2]. Nel 2001, An Xia et al. film sottili SiC a base di silicio preparati mediante sputtering con magnetron a temperatura ambiente [3].

Tuttavia, a causa della grande differenza tra la costante reticolare di SI e quella di SIC (circa il 20%), la densità del difetto dello strato epitassiale 3C-SIC è relativamente elevata, in particolare il difetto gemello come DPB. Al fine di ridurre la mancata corrispondenza reticolare, i ricercatori utilizzano 6H-SIC, 15R-SIC o 4H-SIC sulla superficie (0001) come substrato per coltivare lo strato epitassiale 3C-SIC e ridurre la densità del difetto. Ad esempio, nel 2012, Seki, Kazuaki et al. ha proposto la tecnologia dinamica di controllo dell'epitassia polimorfica, che realizza la crescita selettiva polimorfica di 3C-SIC e 6H-SIC sui semi di superficie 6H-SIC (0001) controllando la sovrasaturazione [4-5]. Nel 2023, ricercatori come Xun Li hanno utilizzato il metodo CVD per ottimizzare la crescita e il processo e hanno ottenuto con successo un 3C-SIC regolarestrato epitassialesenza difetti DPB sulla superficie su un substrato 4H-SiC a un tasso di crescita di 14 um/h[6].

Struttura cristallina e campi di applicazione di 3C SIC

Tra i molti politipi SiCD, 3C-SiC è l'unico politipo cubico, noto anche come β-SiC. In questa struttura cristallina, gli atomi di Si e C esistono in un rapporto uno a uno nel reticolo e ciascun atomo è circondato da quattro atomi eterogenei, formando un'unità strutturale tetraedrica con forti legami covalenti. La caratteristica strutturale del 3C-SiC è che gli strati biatomici Si-C sono ripetutamente disposti nell'ordine ABC-ABC-..., e ciascuna cella unitaria contiene tre di questi strati biatomici, che è chiamata rappresentazione C3; la struttura cristallina del 3C-SiC è mostrata nella figura seguente:

Figura 1 Struttura cristallina di 3C-SIC

Attualmente, il silicio (SI) è il materiale a semiconduttore più comunemente usato per i dispositivi di alimentazione. Tuttavia, a causa delle prestazioni dei dispositivi di alimentazione a base di silicio, sono limitati. Rispetto a 4H-SIC e 6H-SIC, 3C-SIC ha la mobilità teorica teorica della temperatura ambiente più alta (1000 cm · V-1 · S-1) e presenta maggiori vantaggi nelle applicazioni del dispositivo MOS. Allo stesso tempo, 3C-SIC ha anche eccellenti proprietà come alta tensione di rottura, buona conducibilità termica, alta durezza, gap a banda largo, resistenza ad alta temperatura e resistenza alle radiazioni. Pertanto, ha un grande potenziale in elettronica, optoelettronica, sensori e applicazioni in condizioni estreme, promuovendo lo sviluppo e l'innovazione delle tecnologie correlate e mostrando un ampio potenziale di applicazione in molti campi:

Innanzitutto: specialmente in ambienti ad alta tensione, ad alta frequenza e ad alta temperatura, l'elevata tensione di rottura e l'elevata mobilità degli elettroni di 3C-SIC lo rendono una scelta ideale per i dispositivi di potenza di produzione come MOSFET [7]. In secondo luogo: l'applicazione di 3C-SIC nei sistemi di nanoelettronica e microelettromeccanici (MEMS) beneficia della sua compatibilità con la tecnologia del silicio, consentendo la produzione di strutture su nanoscala come la nanoelettronica e i dispositivi nanoelettromeccanici [8]. Terzo: come materiale a semiconduttore a banda ampio, 3C-SIC è adatto per la produzione didiodi emettitori di luce blu(LED). La sua applicazione in illuminazione, tecnologia di visualizzazione e laser ha attirato l'attenzione grazie alla sua alta efficienza luminosa e al doping facile [9]. Quarto: allo stesso tempo, 3C-SIC viene utilizzato per produrre rilevatori sensibili alla posizione, in particolare rilevatori sensibili alla posizione del punto laser in base all'effetto fotovoltaico laterale, che mostrano elevata sensibilità in condizioni di bias zero e sono adatti per un posizionamento preciso [10] .

3. Metodo di preparazione dell'eteroepitaxy 3C SIC

I principali metodi di crescita dell'eteroepitassia 3C-SiC includonodeposizione di vapore chimico (CVD), epitassia di sublimazione (SE), Epitassia di fase liquida (LPE), epitassia a fascio molecolare (MBE), sputtering con magnetron, ecc. CVD è il metodo preferito per l'epitassia 3C-SiC grazie alla sua controllabilità e adattabilità (come temperatura, flusso di gas, pressione della camera e tempo di reazione, che può ottimizzare la qualità del strato epitassiale).

Deposizione di vapore chimico (CVD): un gas composto contenente elementi SI e C viene passato nella camera di reazione, riscaldato e decomposto ad alta temperatura, quindi gli atomi SI e gli atomi C sono precipitati sul substrato Si, o 6H-SIC, 15R- SIC, substrato 4H-SIC [11]. La temperatura di questa reazione è generalmente compresa tra 1300-1500 ℃. Le fonti SI comuni includono SIH4, TCS, MTS, ecc. E C. Fonti C includono principalmente C2H4, C3H8, ecc., Con H2 come gas di trasporto. Il processo di crescita include principalmente i seguenti passaggi: 1. La fonte di reazione della fase gassosa viene trasportata nella zona di deposizione nel flusso del gas principale. 2. La reazione della fase gassosa si verifica nello strato limite per generare precursori e sottoprodotti di film sottile. 3. Le precipitazioni, l'adsorbimento e il processo di cracking del precursore. 4. Gli atomi adsorbiti migrano e ricostruiranno sulla superficie del substrato. 5. Gli atomi adsorbiti nucleati e crescono sulla superficie del substrato. 6. Il trasporto di massa del gas di scarto dopo la reazione nella zona di flusso del gas principale e viene eliminato dalla camera di reazione. La Figura 2 è un diagramma schematico di CVD [12].

Figura 2 Diagramma schematico della CVD

Metodo di epitassia di sublimazione (SE): la Figura 3 è un diagramma di struttura sperimentale del metodo SE per la preparazione di 3C-SIC. I passaggi principali sono la decomposizione e la sublimazione della fonte SIC nella zona ad alta temperatura, il trasporto dei sublimati e la reazione e la cristallizzazione dei sublimati sulla superficie del substrato a una temperatura più bassa. I dettagli sono i seguenti: il substrato 6H-SIC o 4H-SIC è posizionato sulla parte superiore del crogiolo ePolvere SIC di alta purezzaviene utilizzato come materia prima SIC e posizionato nella parte inferiore delGrafite Crucible. Il crogiolo è riscaldato a 1900-2100 ℃ mediante induzione a radiofrequenza e la temperatura del substrato è controllata per essere inferiore alla sorgente SIC, formando un gradiente di temperatura assiale all'interno del crogiolo, in modo che il materiale SIC sublimatato possa condensare e cristallizzarsi sul substrato Per formare 3C-SIC eteroepitassiale.

I vantaggi dell'epitassia a sublimazione risiedono principalmente in due aspetti: 1. La temperatura dell'epitassia è elevata, il che può ridurre i difetti dei cristalli; 2. Può essere inciso per ottenere una superficie incisa a livello atomico. Tuttavia, durante il processo di crescita, la fonte di reazione non può essere regolata e il rapporto silicio-carbonio, il tempo, le varie sequenze di reazione, ecc. non possono essere modificati, con conseguente diminuzione della controllabilità del processo di crescita.

Figura 3 Diagramma schematico del metodo SE per la crescita dell'epitassia 3C-SiC

L'epitassia a fascio molecolare (MBE) è una tecnologia avanzata di crescita di film sottile, adatta per la crescita di strati epitassiali 3C-SiC su substrati 4H-SiC o 6H-SiC. Il principio di base di questo metodo è: in un ambiente di ultra-alto vuoto, attraverso un controllo preciso del gas sorgente, gli elementi dello strato epitassiale in crescita vengono riscaldati per formare un fascio atomico direzionale o fascio molecolare e incidente sulla superficie riscaldata del substrato per crescita epitassiale. Le condizioni comuni per la crescita del 3C-SiCstrati epitassialisui substrati 4H-SiC o 6H-SiC sono: in condizioni ricche di silicio, le fonti di grafene e carbonio puro vengono eccitate in sostanze gassose con un cannone elettronico e come temperatura di reazione viene utilizzata 1200-1350 ℃. La crescita eteroepitassiale 3C-SiC può essere ottenuta ad un tasso di crescita di 0,01-0,1 nm-1 [13].

Conclusione e prospettiva

Attraverso il progresso tecnologico continuo e la ricerca sul meccanismo approfondito, la tecnologia eteroepitassiale 3C-SIC dovrebbe svolgere un ruolo più importante nel settore dei semiconduttori e promuovere lo sviluppo di dispositivi elettronici ad alta efficienza. Ad esempio, continuare a esplorare nuove tecniche e strategie di crescita, come l'introduzione dell'atmosfera HCL per aumentare il tasso di crescita mantenendo la bassa densità di difetto, è la direzione della ricerca futura; Ricerche approfondite sul meccanismo di formazione dei difetti e lo sviluppo di tecniche di caratterizzazione più avanzate, come la fotoluminescenza e l'analisi della catodoluminescenza, per ottenere un controllo di difetto più preciso e ottimizzare le proprietà dei materiali; La rapida crescita del film di alta qualità 3C-SIC è la chiave per soddisfare le esigenze dei dispositivi ad alta tensione e sono necessarie ulteriori ricerche per superare l'equilibrio tra tasso di crescita e uniformità materiale; In combinazione con l'applicazione di 3C-SIC in strutture eterogenee come SIC/GAN, esplora le sue potenziali applicazioni in nuovi dispositivi come l'elettronica di potenza, l'integrazione optoelettronica e l'elaborazione delle informazioni quantistiche.

Riferimenti:

[1] Nishino S, Hazuki Y, Matsunami H, et al. Deposizione chimica da fase vapore di film β-SiC monocristallini su substrato di silicio con strato intermedio SiC spruzzato[J].Journal of The Electrochemical Society, 1980, 127(12):2674-2680.

[2] Ye Zhizhen, Wang Yadong, Huang Jingyun, et al. Ricerca sulla crescita a bassa temperatura di film sottili di carburo di silicio a base di silicio [J]. Journal of Vacuum Science and Technology, 2002, 022(001):58-60 .

[3] Anxia, ​​Zhuang Huizhao, Li Huaixiang, in attesa.

[4] Seki K, Alexander, Kozawa S, et al. Crescita selettiva del politipo di SiC mediante controllo della supersaturazione nella crescita della soluzione[J]. Giornale della crescita dei cristalli, 2012, 360:176-180.

[5] Chen Yao, Zhao Fuqiang, Zhu Bingxian, He Shuai. Panoramica dello sviluppo di dispositivi di potenza in carburo di silicio in patria e all'estero [J].

[6] Li X, Wang G. Crescita CVD di strati 3C-SiC su substrati 4H-SiC con morfologia migliorata[J].Solid State Communications, 2023:371.

[7] Hou Kaiwen.

[8]Lars, Hiller, Thomas, et al. Effetti dell'idrogeno nell'incisione ECR di strutture Mesa 3C-SiC(100)[J].Materials Science Forum, 2014.

[9] Xu Qingfang.

[10] Foisal A R M, Nguyen T, Dinh T K, et al.3C-SIC/Si Eterostruttura: un'eccellente piattaforma per rilevatori sensibili alla posizione basati sull'effetto fotovoltaico [J] .ACS Applied Materials & Interfaces, 2019: 40980-40987.

[11] Xin Bin.

[12] Dong Lin. Tecnologia di crescita epitassiale multi-wafer su vasta area e caratterizzazione delle proprietà fisiche del carburo di silicio [D].

[13] Diani M, Simon L, Kubler L, et al. Cressione cristallina del politipo 3C-SIC sul substrato 6H-SIC (0001) [J]. Journal of Crystal Growth, 2002, 235 (1): 95-102.