Хетероепитаксија 3Ц-СиЦ: Преглед

1. Историјски развој 3Ц-СиЦ

Развој 3Ц-СиЦ, значајног политипа силицијум карбида, одражава континуирани напредак науке о полупроводничким материјалима. Осамдесетих година прошлог века, Нисхино ет ал. први пут постигао 3Ц-СиЦ филм дебљине 4 μм на силицијумској подлози користећи хемијско таложење паре (ЦВД)[1], постављајући темеље за 3Ц-СиЦ технологију танког филма.

Деведесете су означиле златно доба за истраживање СиЦ-а. Лансирање 6Х-СиЦ и 4Х-СиЦ чипова од стране Црее Ресеарцх Инц. 1991. и 1994. године покренуло је комерцијализацију СиЦ полупроводничких уређаја. Овај технолошки напредак поставио је основу за каснија истраживања и примене 3Ц-СиЦ.

Почетком 21. века, СиЦ филмови на бази силицијума такође су забележили значајан напредак у Кини. Ие Зхизхен ет ал. произвели СиЦ филмове на силицијумским супстратима користећи ЦВД на ниским температурама 2002. [2], док су Ан Ксиа ет ал. постигао сличне резултате коришћењем магнетронског распршивања на собној температури 2001. године[3].

Међутим, велика неусклађеност решетке између Си и СиЦ (отприлике 20%) довела је до високе густине дефеката у епитаксијалном слоју 3Ц-СиЦ, посебно до граница двоструког позиционирања (ДПБ). Да би ово ублажили, истраживачи су се одлучили за супстрате као што су 6Х-СиЦ, 15Р-СиЦ или 4Х-СиЦ са (0001) оријентацијом за узгој 3Ц-СиЦ епитаксијалних слојева, чиме се смањује густина дефекта. На пример, 2012. године, Секи, Казуаки ет ал. предложио технику контроле кинетичког полиморфизма, постижући селективни раст 3Ц-СиЦ и 6Х-СиЦ на семену 6Х-СиЦ(0001) контролом презасићења[4-5]. 2023. године, Ксун Ли ет ал. успешно добијени глатки 3Ц-СиЦ епитаксијални слојеви без ДПБ на 4Х-СиЦ супстратима коришћењем оптимизованог раста ЦВД са брзином од 14 μм/х[6].

2. Кристална структура и примена 3Ц-СиЦ

Међу бројним СиЦ политиповима, 3Ц-СиЦ, такође познат као β-СиЦ, је једини кубни политип. У овој кристалној структури, атоми Си и Ц постоје у односу један према један, формирајући тетраедарску јединичну ћелију са јаким ковалентним везама. Структуру карактеришу Си-Ц двослојеви распоређени у АБЦ-АБЦ-… секвенци, при чему свака јединична ћелија садржи три таква двослоја, означена ознаком Ц3. Слика 1 илуструје кристалну структуру 3Ц-СиЦ.

                                                                                                                                                                           Слика 1. Кристална структура 3Ц-СиЦ

Тренутно је силицијум (Си) најчешће коришћени полупроводнички материјал за енергетске уређаје. Међутим, његова инхерентна ограничења ограничавају његов учинак. У поређењу са 4Х-СиЦ и 6Х-СиЦ, 3Ц-СиЦ поседује највећу теоријску покретљивост електрона на собној температури (1000 цм2·В-1·с-1), што га чини кориснијим за МОСФЕТ апликације. Поред тога, његов високи пробојни напон, одлична топлотна проводљивост, висока тврдоћа, широк појас, отпорност на високе температуре и отпорност на зрачење чине 3Ц-СиЦ веома обећавајућим за апликације у електроници, оптоелектроници, сензорима и екстремним окружењима:

Примене велике снаге, високе фреквенције и високе температуре: 3Ц-СиЦ-ов високи напон пробоја и велика мобилност електрона чине га идеалним за производњу енергетских уређаја као што су МОСФЕТ-ови, посебно у захтевним окружењима[7].

Наноелектроника и микроелектромеханички системи (МЕМС): Његова компатибилност са силицијумском технологијом омогућава производњу структура наноразмера, омогућавајући примену у наноелектроници и МЕМС уређајима[8].

Оптоелектроника:Као полупроводнички материјал са широким појасом, 3Ц-СиЦ је погодан за плаве диоде које емитују светлост (ЛЕД). Његова висока светлосна ефикасност и лакоћа допинга чине га атрактивним за примену у осветљењу, технологијама дисплеја и ласерима[9].

Сензори:3Ц-СиЦ се користи у детекторима осетљивим на положај, посебно у детекторима осетљивим на позицију ласерске тачке засноване на бочном фотонапонском ефекту. Ови детектори показују високу осетљивост у условима нулте пристрасности, што их чини погодним за апликације прецизног позиционирања[10].

3. Методе припреме за 3Ц-СиЦ хетероепитаксију

Уобичајене методе за 3Ц-СиЦ хетероепитаксију укључују хемијско таложење паре (ЦВД), сублимациону епитаксију (СЕ), епитаксију течне фазе (ЛПЕ), епитаксију молекуларним снопом (МБЕ) и магнетронско распршивање. ЦВД је пожељна метода за 3Ц-СиЦ епитаксију због своје контроле и прилагодљивости у погледу температуре, протока гаса, притиска у комори и времена реакције, што омогућава оптимизацију квалитета епитаксијалног слоја.

Хемијско таложење паре (ЦВД):Гасовита једињења која садрже Си и Ц се уносе у реакциону комору и загревају на високим температурама, што доводи до њиховог распадања. Атоми Си и Ц се затим таложе на супстрат, типично Си, 6Х-СиЦ, 15Р-СиЦ или 4Х-СиЦ [11]. Ова реакција се обично дешава између 1300-1500°Ц. Уобичајени извори Си укључују СиХ4, ТЦС и МТС, док су Ц извори првенствено Ц2Х4 и Ц3Х8, са Х2 као носећим гасом. Слика 2 приказује шему ЦВД процеса[12].

                                                                                                                                                               Слика 2. Шема ЦВД процеса

Сублимациона епитаксија (СЕ):У овој методи, 6Х-СиЦ или 4Х-СиЦ супстрат се поставља на врх лончића, са СиЦ прахом високе чистоће као изворним материјалом на дну. Лончић се загрева на 1900-2100°Ц путем радиофреквентне индукције, одржавајући температуру подлоге нижом од температуре извора да би се створио аксијални температурни градијент. Ово омогућава сублимираном СиЦ да се кондензује и кристализује на супстрату, формирајући 3Ц-СиЦ хетероепитаксију.

Епитаксија молекулским снопом (МБЕ):Ова напредна техника раста танког филма је погодна за узгој 3Ц-СиЦ епитаксијалних слојева на 4Х-СиЦ или 6Х-СиЦ подлогама. Под ултра-високим вакуумом, прецизна контрола изворних гасова омогућава формирање усмерених атомских или молекуларних зрака саставних елемената. Ове греде су усмерене ка загрејаној површини супстрата ради епитаксијалног раста.

4. Закључак и изглед

Са сталним технолошким напретком и дубинским механичким студијама, 3Ц-СиЦ хетероепитаксија је спремна да игра све виталнију улогу у индустрији полупроводника, подстичући развој енергетски ефикасних електронских уређаја. Истраживање нових техника раста, као што је увођење ХЦл атмосфере за повећање стопе раста уз одржавање ниске густине дефеката, обећава пут за будућа истраживања. Даље истраживање механизама формирања дефекта и развој напредних техника карактеризације омогућиће прецизну контролу дефекта и оптимизоване особине материјала. Брз раст висококвалитетних, дебелих 3Ц-СиЦ филмова је од кључног значаја за испуњавање захтева високонапонских уређаја, што захтева даља истраживања како би се решила равнотежа између брзине раста и униформности материјала. Коришћењем примене 3Ц-СиЦ у хетероструктурама попут СиЦ/ГаН, његов потенцијал у новим уређајима као што су енергетска електроника, оптоелектронска интеграција и квантна обрада информација може се у потпуности истражити.

Референце:

[1] Нисхино С, Хазуки И, Матсунами Х, ет ал. Хемијско таложење паре монокристалних β-СиЦ филмова на силицијумској подлози са распршеним СиЦ међуслојем [Ј]. Јоурнал оф Тхе Елецтроцхемицал Социети, 1980, 127(12):2674-2680.

[2] Ие Зхизхен, Ванг Иадонг, Хуанг Јингиун, ет ал. Истраживања на ниским температурама на бази силицијум карбида [Ј Јоурнал оф Вацуум Сциенце анд Тецхнологи, 2002, 022(001):58-60]. .

[3] Ан Ксиа, Зхуанг Хуизхао, Ли Хуаикианг, ет ал. Припрема танких филмова нано-СиЦ на (111) Си супстрату [Ј Јоурнал оф Схандонг Нормал Университи: Натурал Сциенце Едитион, 2001: 382-384]. ..

[4] Секи К, Алекандер, Козава С, ет ал. Политип-селективни раст СиЦ контролом презасићења у расту раствора [Ј]. Јоурнал оф Цристал Гровтх, 2012, 360:176-180.

[5] Цхен Иао, Зхао Фукианг, Зху Бингкиан, Хе Схуаи, Преглед развоја уређаја за напајање од силицијум карбида у земљи и иностранству [Ј.

[6] Ли Кс , Ванг Г .ЦВД раст слојева 3Ц-СиЦ на 4Х-СиЦ супстратима са побољшаном морфологијом [Ј].Солид Стате Цоммуницатионс, 2023:371.

[7] Хоу Каивен Истраживање супстрата са узорком Си и његова примена у расту 3Ц-СиЦ [Д.

[8] Ларс, Хилер, Томас и др. Ефекти водоника у ЕЦР-јеткању 3Ц-СиЦ(100) Меса структура[Ј]. Форум за науку о материјалима, 2014.

[9] Ксу Кингфанг Припрема танких филмова 3Ц-СиЦ ласерским хемијским таложењем [Д] Технолошки универзитет у Вухану.

[10] Фоисал АРМ, Нгуиен Т, Динх ТК, ет ал.3Ц-СиЦ/Си хетероструктура: одлична платформа за детекторе осетљиве на положај засноване на фотонапонском ефекту[Ј].АЦС Апплиед Материалс & Интерфацес, 2019: 40987.

[11] Ксин Бин 3Ц/4Х-СиЦ хетероепитаксијални раст на основу ЦВД процеса: карактеризација дефеката и еволуција [Д].

[12] Донг Лин епитаксијална технологија раста велике површине и физичка карактеристика силицијум карбида [Д], 2014.

[13] Диани М, Симон Л, Кублер Л, ет ал. Раст кристала политипа 3Ц-СиЦ на 6Х-СиЦ(0001) супстрату[Ј]. Јоурнал оф Цристал Гровтх, 2002, 235(1):95-102.