3C-SiC гетероепитаксиясы: шолу

1. 3C-SiC-тің тарихи дамуы

Кремний карбидінің маңызды политипі 3C-SiC дамуы жартылай өткізгіш материалтану ғылымының үздіксіз дамуын көрсетеді. 1980 жылдары Нишино және т.б. алдымен 3C-SiC жұқа пленка технологиясының негізін қалап, химиялық бу тұндыру (CVD) [1] арқылы кремний субстратында қалыңдығы 4 мкм 3C-SiC пленкаға қол жеткізді.

1990 жылдар SiC зерттеулері үшін алтын ғасыр болды. Cree Research Inc. сәйкесінше 1991 және 1994 жылдары 6H-SiC және 4H-SiC чиптерін іске қосу SiC жартылай өткізгіш құрылғыларының коммерциялануына ықпал етті. Бұл технологиялық прогресс 3C-SiC-ті кейінгі зерттеулер мен қолдану үшін негіз қалады.

21 ғасырдың басында кремний негізіндегі SiC фильмдері Қытайда айтарлықтай прогреске қол жеткізді. Е Жижэнь және т.б. 2002 жылы төмен температурада CVD қолдана отырып, кремний субстраттарында SiC пленкаларын жасады[2], ал Ань Сиа және т.б. 2001 жылы бөлме температурасында магнетронды шашырату арқылы ұқсас нәтижелерге қол жеткізді[3].

Дегенмен, Si және SiC арасындағы үлкен тор сәйкессіздігі (шамамен 20%) 3C-SiC эпитаксиалды қабатындағы ақаулардың жоғары тығыздығына, әсіресе қос позициялау шекараларына (DPB) әкелді. Мұны жеңілдету үшін зерттеушілер 3C-SiC эпитаксиалды қабаттарын өсіруге арналған (0001) бағдары бар 6H-SiC, 15R-SiC немесе 4H-SiC сияқты субстраттарды таңдады, осылайша ақау тығыздығын азайтты. Мысалы, 2012 жылы Секи, Казуаки және т.б. аса қанығуды бақылау арқылы 6H-SiC(0001) тұқымдарында 3C-SiC және 6H-SiC селективті өсуіне қол жеткізетін кинетикалық полиморфизмді басқару әдісін ұсынды [4-5]. 2023 жылы Xun Li et al. 14 мкм/сағ жылдамдықпен оңтайландырылған CVD өсуін пайдалана отырып, 4H-SiC субстраттарында DPB жоқ тегіс 3C-SiC эпитаксиалды қабаттарын сәтті алды[6].

2. Кристалл құрылымы және 3C-SiC қолданулары

Көптеген SiC политиптерінің ішінде β-SiC деп те аталатын 3C-SiC жалғыз текше политипі болып табылады. Бұл кристалдық құрылымда Si және C атомдары күшті коваленттік байланыстары бар тетраэдрлік бірлік ұяшықты құрайтын бір-біріне қатынасында болады. Құрылым ABC-ABC-… тізбегі бойынша орналасқан Si-C қос қабаттарымен сипатталады, әрбір бірлік ұяшықта C3 белгісімен белгіленген осындай үш қос қабатты бар. 1-сурет 3C-SiC кристалдық құрылымын көрсетеді.

                                                                                                                                                                           Сурет 1. 3C-SiC кристалдық құрылымы

Қазіргі уақытта кремний (Si) қуатты құрылғылар үшін ең көп қолданылатын жартылай өткізгіш материал болып табылады. Дегенмен, оның тән шектеулері оның өнімділігін шектейді. 4H-SiC және 6H-SiC-пен салыстырғанда, 3C-SiC бөлме температурасында (1000 см2·V-1·s-1) ең жоғары теориялық электрондардың қозғалғыштығына ие, бұл оны MOSFET қолданбалары үшін тиімдірек етеді. Оған қоса, оның жоғары бұзылу кернеуі, тамаша жылу өткізгіштігі, жоғары қаттылық, кең жолақ аралығы, жоғары температураға төзімділігі және радиацияға төзімділігі 3C-SiC-ті электроника, оптоэлектроника, сенсорлар және экстремалды орталардағы қолданбалар үшін өте перспективалы етеді:

Жоғары қуатты, жоғары жиілікті және жоғары температуралық қолданбалар: 3C-SiC жоғары бұзылу кернеуі және жоғары электрондардың қозғалғыштығы оны MOSFET сияқты қуатты құрылғыларды, әсіресе талап етілетін орталарда өндіру үшін өте қолайлы етеді[7].

Наноэлектроника және микроэлектромеханикалық жүйелер (MEMS): Оның кремний технологиясымен үйлесімділігі наноэлектроника және MEMS құрылғыларында қолданбаларды қамтамасыз ететін наноөлшемді құрылымдарды жасауға мүмкіндік береді[8].

Оптоэлектроника:Кең диапазонды жартылай өткізгіш материал ретінде 3C-SiC көк жарық шығаратын диодтар үшін жарамды. Оның жоғары жарық тиімділігі және допингті қолдану жеңілдігі оны жарықтандыру, дисплей технологиялары және лазерлердегі қолданбалар үшін тартымды етеді[9].

Сенсорлар:3C-SiC позицияға сезімтал детекторларда, әсіресе бүйірлік фотоэлектрлік әсерге негізделген лазерлік нүктелік позицияға сезімтал детекторларда қолданылады. Бұл детекторлар нөлдік ауытқу жағдайында жоғары сезімталдықты көрсетеді, бұл оларды нақты орналасу қолданбалары үшін қолайлы етеді[10].

3. 3C-SiC гетероэпитаксиясын дайындау әдістері

3C-SiC гетероепитаксиясының жалпы әдістеріне химиялық бу тұндыру (CVD), сублимация эпитаксисі (SE), сұйық фаза эпитаксисі (LPE), молекулалық сәуле эпитаксисі (MBE) және магнетронды шашырау кіреді. CVD температура, газ ағыны, камера қысымы және реакция уақыты тұрғысынан басқарылуы мен бейімделуіне байланысты 3C-SiC эпитаксисі үшін таңдаулы әдіс болып табылады, бұл эпитаксиалды қабат сапасын оңтайландыруға мүмкіндік береді.

Химиялық булардың тұндыру (CVD):Құрамында Si және C бар газ тәрізді қосылыстар реакция камерасына енгізіледі және жоғары температураға дейін қызады, бұл олардың ыдырауына әкеледі. Содан кейін Si және C атомдары субстратқа түседі, әдетте Si, 6H-SiC, 15R-SiC немесе 4H-SiC [11]. Бұл реакция әдетте 1300-1500°C аралығында жүреді. Жалпы Si көздеріне SiH4, TCS және MTS жатады, ал C көздеріне негізінен C2H4 және C3H8 жатады, H2 тасымалдаушы газ болып табылады. 2-суретте CVD процесінің схемасы бейнеленген[12].

                                                                                                                                                               Сурет 2. CVD процесінің схемасы

Сублимация эпитаксисі (SE):Бұл әдісте 6H-SiC немесе 4H-SiC субстраты тигельдің жоғарғы жағына орналастырылады, төменгі жағында бастапқы материал ретінде жоғары таза SiC ұнтағы бар. Тигель радиожиілік индукциясы арқылы 1900-2100°C дейін қызады, осьтік температура градиентін жасау үшін субстрат температурасын бастапқы температурадан төмен ұстайды. Бұл сублимацияланған SiC 3C-SiC гетероэпитаксиясын құра отырып, субстратта конденсациялануға және кристалдануға мүмкіндік береді.

Молекулярлық сәуле эпитаксисі (MBE):Бұл жетілдірілген жұқа қабықшаны өсіру әдісі 4H-SiC немесе 6H-SiC субстраттарында 3C-SiC эпитаксиалды қабаттарын өсіруге жарамды. Өте жоғары вакуум жағдайында бастапқы газдарды дәл бақылау құрамдас элементтердің бағытталған атомдық немесе молекулалық сәулелерін қалыптастыруға мүмкіндік береді. Бұл сәулелер эпитаксиалды өсу үшін қыздырылған субстрат бетіне бағытталған.

4. Қорытынды және болжам

Үздіксіз технологиялық жетістіктермен және терең механикалық зерттеулермен 3C-SiC гетероепитаксиясы жартылай өткізгіштер өнеркәсібінде энергияны үнемдейтін электронды құрылғылардың дамуына жетекшілік ететін маңызды рөл атқаруға дайын. Төмен ақаулар тығыздығын сақтай отырып, өсу қарқынын арттыру үшін HCl атмосферасын енгізу сияқты жаңа өсіру әдістерін зерттеу болашақ зерттеулер үшін перспективалы жол болып табылады. Ақауларды қалыптастыру механизмдерін әрі қарай зерттеу және сипаттаманың озық әдістерін әзірлеу ақауларды дәл бақылауға және материалдың оңтайландырылған қасиеттеріне мүмкіндік береді. Жоғары сапалы, қалың 3C-SiC пленкаларының жылдам өсуі жоғары вольтты құрылғылардың талаптарын қанағаттандыру үшін өте маңызды, өсу қарқыны мен материалдың біркелкілігі арасындағы тепе-теңдікті шешу үшін қосымша зерттеулерді қажет етеді. SiC/GaN сияқты гетероқұрылымдарда 3C-SiC қолданбаларын пайдалану арқылы оның қуат электроникасы, оптоэлектрондық интеграция және кванттық ақпаратты өңдеу сияқты жаңа құрылғылардағы әлеуетін толығымен зерттеуге болады.

Анықтамалар:

[1] Нишино С, Хазуки Ю, Мацунами Н, т.б. Бір кристалды β-SiC қабықшаларының спрейленген SiC аралық қабаты бар кремний субстратында химиялық бумен тұндыру [J]. The Electrochemical Society журналы, 1980, 127(12):2674-2680.

[2] Ye Zhizhen, Wang Yadong, Huang Jingyun, және т.б. кремний негізіндегі кремний карбиді жұқа пленкалардың төмен температуралық өсуіне арналған зерттеулер [J] Vacuum Science and Technology, 2002, 022(001):58-60. .

[3] An Xia, Zhuang Huizhao, Li Huaixiang, және т.б. (111) Si субстратында нано-SiC жұқа қабықшаларды дайындау [J] Шандун қалыпты университетінің журналы: Табиғи ғылымдар басылымы, 2001: 382-384. ..

[4] Секи К, Александр, Козава С, т.б. Ерітінді өсіміндегі аса қанығуды бақылау арқылы SiC политипті-селективті өсуі[J]. Crystal Growth журналы, 2012, 360:176-180.

[5] Чен Яо, Чжао Фуцян, Чжу Бингсиан, Хе Шуай үйде және шетелде кремнийлі карбидті қуат құрылғыларының дамуына шолу [Дж], 2020: 49-54.

[6] Li X, Wang G .3C-SiC қабаттарының 4H-SiC субстраттарында жақсартылған морфологиясы бар CVD өсуі [J].Solid State Communications, 2023:371.

[7] Hou Kaiwen. Si үлгісіндегі субстрат және оны 3C-SiC өсімінде қолдану [D], Сиань технологиялық университеті, 2018.

[8]Ларс, Хиллер, Томас және т.б. 3C-SiC(100) Меса құрылымдарының ECR-этчингіндегі сутегі әсерлері[J]. Материалдар туралы ғылым форумы, 2014 ж.

[9] Xu Qingfang 3C-SiC жұқа қабықшаларды лазерлік химиялық тұндыру арқылы дайындау [D] Ухань технологиялық университеті, 2016 ж.

[10] Foisal A R M , Nguyen T , Dinh T K , et al.3C-SiC/Si гетероструктурасы: фотоэлектрлік әсерге негізделген позицияға сезімтал детекторларға арналған тамаша платформа[J].ACS қолданбалы материалдары және интерфейстері, 2019-09-04.

[11] Xin Bin 3C/4H-SiC CVD процесіне негізделген гетероэпитаксиалды өсу: ақауларды сипаттау және Сиань электронды ғылым және технология университеті.

Dong Lin.

[13] Diani M , Simon L , Kubler L , et al. 6H-SiC(0001) субстратта[J] 3C-SiC политипінің кристалдық өсуі. Crystal Growth журналы, 2002, 235(1):95-102.