Sejarah Perkembangan 3C SiC

Sebagai bentuk penting darisilikon karbida, Sejarah Pengembangan3C-SiCmencerminkan kemajuan berkelanjutan dari ilmu material semikonduktor. Pada 1980 -an, Nishino et al. Pertama kali diperoleh film tipis 4um-SIC pada substrat silikon dengan deposisi uap kimia (CVD) [1], yang meletakkan fondasi untuk teknologi film tipis 3C-SIC.

1990 -an adalah zaman keemasan penelitian SIC. Cree Research Inc. meluncurkan chip 6H-SIC dan 4H-SIC masing-masing pada tahun 1991 dan 1994, mempromosikan komersialisasi dariPerangkat semikonduktor SiC. Kemajuan teknologi selama periode ini meletakkan dasar untuk penelitian dan penerapan 3C-SIC selanjutnya.

Pada awal abad ke-21,film tipis sic berbasis silikon domestikjuga dikembangkan sampai batas tertentu. Ye Zhizhen et al. Disiapkan film tipis SIC berbasis silikon oleh CVD dalam kondisi suhu rendah pada tahun 2002 [2]. Pada tahun 2001, Xia et al. Disiapkan film tipis SIC berbasis silikon oleh magnetron sputtering pada suhu kamar [3].

Namun, karena perbedaan besar antara konstanta kisi SI dan SIC (sekitar 20%), kerapatan cacat lapisan epitaxial 3C-SIC relatif tinggi, terutama cacat kembar seperti DPB. Untuk mengurangi ketidakcocokan kisi, para peneliti menggunakan permukaan 6H-SIC, 15R-SIC atau 4H-SIC pada permukaan (0001) sebagai substrat untuk menumbuhkan lapisan epitaxial 3C-SIC dan mengurangi kepadatan cacat. Misalnya, pada 2012, Seki, Kazuaki et al. mengusulkan teknologi kontrol epitaxy polimorfik dinamis, yang mewujudkan pertumbuhan selektif polimorfik dari 3C-SIC dan 6H-SIC pada unggulan permukaan 6H-SIC (0001) dengan mengendalikan supersaturasi [4-5]. Pada tahun 2023, para peneliti seperti Xun Li menggunakan metode CVD untuk mengoptimalkan pertumbuhan dan proses, dan berhasil memperoleh 3C-SIC yang haluslapisan epitaksiTanpa cacat DPB pada permukaan pada substrat 4H-SIC pada tingkat pertumbuhan 14um/jam [6].

Struktur Kristal dan Bidang Aplikasi 3C SiC

Di antara banyak politype SICD, 3C-SIC adalah satu-satunya polytype kubik, juga dikenal sebagai β-SIC. Dalam struktur kristal ini, atom Si dan C ada dalam rasio satu-ke-satu di kisi, dan setiap atom dikelilingi oleh empat atom heterogen, membentuk unit struktural tetrahedral dengan ikatan kovalen yang kuat. Fitur struktural 3C-SIC adalah bahwa lapisan diatomik Si-C berulang kali diatur dalam urutan ABC-Abc-…, dan setiap sel unit berisi tiga lapisan diatomik tersebut, yang disebut representasi C3; Struktur kristal 3C-SIC ditunjukkan pada gambar di bawah ini:

Gambar 1 Struktur kristal 3C-SIC

Saat ini, silikon (Si) merupakan bahan semikonduktor yang paling umum digunakan untuk perangkat listrik. Namun, karena kinerja Si, perangkat listrik berbasis silikon menjadi terbatas. Dibandingkan dengan 4H-SiC dan 6H-SiC, 3C-SiC memiliki mobilitas elektron teoritis suhu ruangan tertinggi (1000 cm·V-1·S-1), dan memiliki lebih banyak keunggulan dalam aplikasi perangkat MOS. Pada saat yang sama, 3C-SiC juga memiliki sifat yang sangat baik seperti tegangan rusaknya yang tinggi, konduktivitas termal yang baik, kekerasan yang tinggi, celah pita yang lebar, ketahanan suhu tinggi, dan ketahanan radiasi. Oleh karena itu, ia memiliki potensi besar dalam bidang elektronik, optoelektronik, sensor, dan aplikasi dalam kondisi ekstrem, mendorong pengembangan dan inovasi teknologi terkait, dan menunjukkan potensi penerapan yang luas di banyak bidang:

Pertama: Terutama di lingkungan bertegangan tinggi, frekuensi tinggi, dan bersuhu tinggi, tegangan tembus tinggi dan mobilitas elektron tinggi 3C-SiC menjadikannya pilihan ideal untuk pembuatan perangkat listrik seperti MOSFET [7]. Kedua: Penerapan 3C-SiC dalam sistem nanoelektronik dan mikroelektromekanis (MEMS) mendapat manfaat dari kompatibilitasnya dengan teknologi silikon, memungkinkan pembuatan struktur skala nano seperti perangkat nanoelektronik dan nanoelektromekanis [8]. Ketiga: Sebagai bahan semikonduktor celah pita lebar, 3C-SiC cocok untuk pembuatannyaDioda pemancar cahaya biru(LED). Penerapannya dalam pencahayaan, teknologi tampilan dan laser telah menarik perhatian karena efisiensinya yang tinggi dan doping mudah [9]. Keempat: Pada saat yang sama, 3C-SIC digunakan untuk memproduksi detektor yang peka terhadap posisi, terutama detektor titik-sensitif titik laser berdasarkan efek fotovoltaik lateral, yang menunjukkan sensitivitas tinggi di bawah kondisi bias nol dan cocok untuk penentuan posisi yang tepat [10] .

3. Metode pembuatan heteroepitaxy 3C SiC

Metode pertumbuhan utama heteroepitaxy 3C-SIC termasukDeposisi Uap Kimia (CVD), Sublimation Epitaxy (SE), Epitaxy fase cair (LPE), epitaks balok molekul (MBE), sputtering magnetron, dll. CVD adalah metode yang lebih disukai untuk epitaks 3C-SIC karena kemampuan pengendalian dan kemampuan beradaptasi (seperti suhu, aliran gas, tekanan ruang dan waktu reaksi, yang dapat mengoptimalkan kualitas dari lapisan epitaxial).

Deposisi uap kimia (CVD): Senyawa gas yang mengandung unsur Si dan C dilewatkan ke dalam ruang reaksi, dipanaskan dan terurai pada suhu tinggi, dan kemudian atom Si dan atom C diendapkan ke substrat Si, atau 6H-SiC, 15R- SiC, substrat 4H-SiC [11]. Suhu reaksi ini biasanya antara 1300-1500℃. Sumber Si yang umum meliputi SiH4, TCS, MTS, dll., dan sumber C terutama mencakup C2H4, C3H8, dll., dengan H2 sebagai gas pembawa. Proses pertumbuhan terutama mencakup langkah-langkah berikut: 1. Sumber reaksi fase gas diangkut ke zona pengendapan dalam aliran gas utama. 2. Reaksi fasa gas terjadi pada lapisan batas untuk menghasilkan prekursor film tipis dan produk samping. 3. Proses pengendapan, adsorpsi dan perengkahan prekursor. 4. Atom yang teradsorpsi bermigrasi dan berekonstruksi pada permukaan substrat. 5. Atom yang teradsorpsi berinti dan tumbuh pada permukaan substrat. 6. Pengangkutan massal gas buang setelah reaksi ke dalam zona aliran gas utama dan dikeluarkan dari ruang reaksi. Gambar 2 adalah diagram skema CVD [12].

Gambar 2 Diagram skema CVD

Metode Sublimation Epitaxy (SE): Gambar 3 adalah diagram struktur eksperimental dari metode SE untuk menyiapkan 3C-SIC. Langkah -langkah utama adalah dekomposisi dan sublimasi sumber SIC di zona suhu tinggi, transportasi sublimat, dan reaksi dan kristalisasi sublimat pada permukaan substrat pada suhu yang lebih rendah. Detailnya adalah sebagai berikut: Substrat 6H-SIC atau 4H-SIC ditempatkan di atas wadah, danSerbuk sic dengan kemurnian tinggidigunakan sebagai bahan baku SiC dan ditempatkan di bagian bawahwadah grafit. Wadah dipanaskan hingga 1900-2100℃ dengan induksi frekuensi radio, dan suhu substrat dikontrol agar lebih rendah dari sumber SiC, membentuk gradien suhu aksial di dalam wadah, sehingga bahan SiC yang disublimasikan dapat mengembun dan mengkristal pada substrat. untuk membentuk heteroepitaksial 3C-SiC.

Keuntungan dari epitaxy sublimasi terutama dalam dua aspek: 1. Suhu epitaxy tinggi, yang dapat mengurangi cacat kristal; 2. Dapat diukir untuk mendapatkan permukaan terukir pada tingkat atom. Namun, selama proses pertumbuhan, sumber reaksi tidak dapat disesuaikan, dan rasio silikon-karbon, waktu, berbagai urutan reaksi, dll. Tidak dapat diubah, menghasilkan penurunan pengendalian proses pertumbuhan.

Gambar 3 Diagram skema metode SE untuk menumbuhkan epitaksi 3C-SiC

Molecular Beam Epitaxy (MBE) adalah teknologi pertumbuhan film tipis canggih, yang cocok untuk menumbuhkan lapisan epitaxial 3C-SIC pada substrat 4H-SIC atau 6H-SIC. Prinsip dasar dari metode ini adalah: dalam lingkungan vakum yang sangat tinggi, melalui kontrol yang tepat dari gas sumber, unsur-unsur lapisan epitaxial yang tumbuh dipanaskan untuk membentuk balok atom arah atau balok molekul dan insiden pada permukaan substrat yang dipanaskan untuk pertumbuhan epitaxial. Kondisi umum untuk menumbuhkan 3C-SIClapisan epitaxialPada substrat 4H-SIC atau 6H-SIC adalah: dalam kondisi yang kaya silikon, graphene dan sumber karbon murni bersemangat menjadi zat gas dengan pistol elektron, dan 1200-1350 ℃ digunakan sebagai suhu reaksi. Pertumbuhan heteroepitaxial 3C-SIC dapat diperoleh pada tingkat pertumbuhan 0,01-0,1 NMS-1 [13].

Kesimpulan dan Prospek

Melalui kemajuan teknologi yang berkelanjutan dan penelitian mekanisme yang mendalam, teknologi heteroepitaksial 3C-SiC diharapkan dapat memainkan peran yang lebih penting dalam industri semikonduktor dan mendorong pengembangan perangkat elektronik berefisiensi tinggi. Misalnya, terus mengeksplorasi teknik dan strategi pertumbuhan baru, seperti memperkenalkan atmosfer HCl untuk meningkatkan laju pertumbuhan sekaligus mempertahankan kepadatan cacat yang rendah, merupakan arah penelitian di masa depan; penelitian mendalam tentang mekanisme pembentukan cacat, dan pengembangan teknik karakterisasi yang lebih maju, seperti analisis fotoluminesensi dan katodoluminesensi, untuk mencapai pengendalian cacat yang lebih tepat dan mengoptimalkan sifat material; pertumbuhan pesat film tebal berkualitas tinggi 3C-SiC adalah kunci untuk memenuhi kebutuhan perangkat bertegangan tinggi, dan penelitian lebih lanjut diperlukan untuk mengatasi keseimbangan antara laju pertumbuhan dan keseragaman material; dikombinasikan dengan penerapan 3C-SiC dalam struktur heterogen seperti SiC/GaN, mengeksplorasi potensi penerapannya pada perangkat baru seperti elektronika daya, integrasi optoelektronik, dan pemrosesan informasi kuantum.

Referensi:

[1] Nishino S, Hazuki Y, Matsunami H, dkk. Deposisi uap kimia dari film β-SiC kristal tunggal pada substrat silikon dengan lapisan menengah SIC sputtered [J]. Jurnal dari Masyarakat Elektrokimia, 1980, 127 (12): 2674-2680.

[2] Ye Zhizhen, Wang Yadong, Huang Jingyun, et al.

[3] Wessia, Zhuang Huizhao, Li Huaxiang, menunggu.

[4] Seki K, Alexander, Kozawa S, dkk. Pertumbuhan SIC selektif-polytype dengan kontrol supersaturasi dalam pertumbuhan larutan [J]. Journal of Crystal Growth, 2012, 360: 176-180.

[5] Chen Yao, Zhao Fuqiang, Zhu Bingxian, ia Shuai.

[6] Li X, Wang G .CVD Pertumbuhan lapisan 3C-SIC pada substrat 4H-SIC dengan peningkatan morfologi [J]. Solid State Communications, 2023: 371.

[7] Hou Kaiwen.

[8] Lars, Hiller, Thomas, dkk. Efek hidrogen dalam ECR-ething dari struktur MESA 3C-SIC (100) [J]. Forum Sains Material, 2014.

[9] Xu Qingfang.

[10] Foisal A R M, Nguyen T, Dinh T K, et al.3C-SIC/SI heterostruktur: Platform yang sangat baik untuk detektor yang peka terhadap posisi berdasarkan efek fotovoltaik [J] .ACS Bahan Terapan & Antarmuka, 2019: 40980-40987.

[11] Xin Bin.

[12] Dong Lin.

[13] Diani M , Simon L , Kubler L ,dkk. Pertumbuhan kristal politipe 3C-SiC pada substrat 6H-SiC(0001)[J]. Jurnal Pertumbuhan Kristal, 2002, 235(1):95-102.