3C-SiC-nin heteroepitaksisi: Baxış

1. 3C-SiC-nin tarixi inkişafı

Silikon karbidin əhəmiyyətli politipi olan 3C-SiC-nin inkişafı yarımkeçirici material elminin davamlı inkişafını əks etdirir. 1980-ci illərdə Nishino et al. ilk olaraq kimyəvi buxar çökdürmə (CVD) [1] istifadə edərək silikon substratda 4 μm qalınlığında 3C-SiC filmi əldə etdi və 3C-SiC nazik film texnologiyasının əsasını qoydu.

1990-cı illər SiC tədqiqatları üçün qızıl dövr oldu. Cree Research Inc.-nin 1991 və 1994-cü illərdə müvafiq olaraq 6H-SiC və 4H-SiC çiplərini işə salması SiC yarımkeçirici cihazlarının kommersiyalaşdırılmasına təkan verdi. Bu texnoloji tərəqqi 3C-SiC-nin sonrakı tədqiqatları və tətbiqləri üçün zəmin yaratdı.

21-ci əsrin əvvəllərində silikon əsaslı SiC filmləri də Çində əhəmiyyətli irəliləyiş gördü. Ye Zhizhen və b. 2002-ci ildə aşağı temperaturda CVD istifadə edərək silisium substratlar üzərində SiC filmləri hazırladı[2], An Xia et al. 2001-ci ildə otaq temperaturunda maqnetron püskürtmə üsulu ilə oxşar nəticələr əldə etmişdir[3].

Bununla belə, Si və SiC (təxminən 20%) arasında böyük qəfəs uyğunsuzluğu 3C-SiC epitaksial təbəqədə yüksək qüsur sıxlığına, xüsusən də ikiqat yerləşdirmə sərhədlərinə (DPB) səbəb oldu. Bunu azaltmaq üçün tədqiqatçılar 6H-SiC, 15R-SiC və ya 4H-SiC kimi 3C-SiC epitaksial təbəqələri böyütmək üçün (0001) oriyentasiyaya malik substratları seçdilər və bununla da qüsur sıxlığını azaltdılar. Məsələn, 2012-ci ildə Seki, Kazuaki et al. supersaturasiyaya nəzarət etməklə 6H-SiC(0001) toxumlarında 3C-SiC və 6H-SiC-nin selektiv artımına nail olan kinetik polimorfizmə nəzarət texnikasını təklif etmişdir [4-5]. 2023-cü ildə Xun Li et al. 14 μm/saat sürəti ilə optimallaşdırılmış CVD artımından istifadə edərək 4H-SiC substratlarında DPB-lərdən azad hamar 3C-SiC epitaksial təbəqələri uğurla əldə etdi[6].

2. 3C-SiC-nin Kristal Strukturu və Tətbiqləri

Çoxsaylı SiC politipləri arasında β-SiC kimi də tanınan 3C-SiC yeganə kubik politipdir. Bu kristal quruluşda Si və C atomları birə-bir nisbətdə mövcuddur və güclü kovalent bağları olan tetrahedral vahid hüceyrə təşkil edir. Struktur ABC-ABC-... ardıcıllığı ilə düzülmüş Si-C ikiqatları ilə xarakterizə olunur, hər bir vahid hüceyrədə C3 işarəsi ilə qeyd olunan üç belə ikiqat var. Şəkil 1 3C-SiC-nin kristal quruluşunu göstərir.

                                                                                                                                                                           Şəkil 1. 3C-SiC-nin kristal quruluşu

Hal-hazırda silikon (Si) enerji cihazları üçün ən çox istifadə edilən yarımkeçirici materialdır. Bununla belə, onun xas məhdudiyyətləri onun performansını məhdudlaşdırır. 4H-SiC və 6H-SiC ilə müqayisədə 3C-SiC otaq temperaturunda (1000 sm2·V-1·s-1) ən yüksək nəzəri elektron hərəkətliliyinə malikdir və bu onu MOSFET tətbiqləri üçün daha əlverişli edir. Bundan əlavə, onun yüksək qırılma gərginliyi, əla istilik keçiriciliyi, yüksək sərtlik, geniş diapazon aralığı, yüksək temperatur müqaviməti və radiasiya müqaviməti 3C-SiC-ni elektronika, optoelektronika, sensorlar və ekstremal mühitlərdə tətbiqlər üçün yüksək perspektivli edir:

Yüksək Güclü, Yüksək Tezlikli və Yüksək Temperatur Tətbiqləri: 3C-SiC-nin yüksək qırılma gərginliyi və yüksək elektron hərəkətliliyi onu MOSFET kimi güc cihazlarının istehsalı üçün ideal edir, xüsusən də tələbkar mühitlərdə[7].

Nanoelektronika və Mikroelektromexaniki Sistemlər (MEMS): Silikon texnologiyası ilə uyğunluğu nanoölçülü strukturların istehsalına imkan verir, nanoelektronika və MEMS cihazlarında tətbiqlərə imkan verir[8].

Optoelektronika:Geniş diapazonlu yarımkeçirici material kimi 3C-SiC mavi işıq yayan diodlar (LED) üçün uyğundur. Onun yüksək işıq səmərəliliyi və dopinq asanlığı onu işıqlandırma, displey texnologiyaları və lazerlərdə tətbiqlər üçün cəlbedici edir[9].

Sensorlar:3C-SiC mövqeyə həssas detektorlarda, xüsusən də yanal fotovoltaik effektə əsaslanan lazer nöqtə mövqeyinə həssas detektorlarda istifadə olunur. Bu detektorlar sıfır qərəzli şəraitdə yüksək həssaslıq nümayiş etdirir və onları dəqiq yerləşdirmə tətbiqləri üçün uyğun edir[10].

3. 3C-SiC Heteroepitaxy üçün hazırlıq üsulları

3C-SiC heteroepitaksiyası üçün ümumi üsullara kimyəvi buxar çökmə (CVD), sublimasiya epitaksisi (SE), maye faza epitaksisi (LPE), molekulyar şüa epitaksisi (MBE) və maqnetron püskürtmə daxildir. CVD, epitaksial təbəqənin keyfiyyətinin optimallaşdırılmasına imkan verən temperatur, qaz axını, kameranın təzyiqi və reaksiya müddəti baxımından idarə oluna bilməsi və uyğunlaşması səbəbindən 3C-SiC epitaksisi üçün üstünlük verilən üsuldur.

Kimyəvi Buxar Çöküntüsü (CVD):Tərkibində Si və C olan qaz birləşmələri reaksiya kamerasına daxil edilir və yüksək temperatura qədər qızdırılır, bu da onların parçalanmasına səbəb olur. Si və C atomları daha sonra bir substratın üzərinə çökür, adətən Si, 6H-SiC, 15R-SiC və ya 4H-SiC [11]. Bu reaksiya adətən 1300-1500°C arasında baş verir. Ümumi Si mənbələrinə SiH4, TCS və MTS daxildir, C mənbələri isə ilk növbədə C2H4 və C3H8, H2 isə daşıyıcı qazdır. Şəkil 2 CVD prosesinin sxemini təsvir edir[12].

                                                                                                                                                               Şəkil 2. CVD prosesinin sxemi

Sublimasiya epitaksiyası (SE):Bu üsulda 6H-SiC və ya 4H-SiC substratı dibində qaynaq materialı kimi yüksək təmizlikli SiC tozu olmaqla, tigenin yuxarı hissəsinə yerləşdirilir. Oxial temperatur qradiyenti yaratmaq üçün alt qatın temperaturunu mənbə temperaturundan aşağı saxlayaraq, radiotezlik induksiyası vasitəsilə 1900-2100°C-ə qədər qızdırılır. Bu, sublimasiya edilmiş SiC-nin 3C-SiC heteroepitaksisini meydana gətirərək substratda kondensasiyasına və kristallaşmasına imkan verir.

Molekulyar şüa epitaksiyası (MBE):Bu inkişaf etmiş nazik təbəqə böyüməsi texnikası 4H-SiC və ya 6H-SiC substratlarında 3C-SiC epitaksial təbəqələrin böyüməsi üçün uyğundur. Ultra yüksək vakuum altında mənbə qazlarına dəqiq nəzarət tərkib elementlərinin yönlü atom və ya molekulyar şüalarının formalaşmasına imkan verir. Bu şüalar epitaksial böyümə üçün qızdırılan substrat səthinə yönəldilir.

4. Nəticə və perspektiv

Davamlı texnoloji irəliləyişlər və dərin mexaniki tədqiqatlarla 3C-SiC heteroepitaksi enerjiyə qənaət edən elektron cihazların inkişafına təkan verən yarımkeçiricilər sənayesində getdikcə daha mühüm rol oynamağa hazırlaşır. Aşağı qüsur sıxlığını qoruyarkən böyümə sürətini artırmaq üçün HCl atmosferlərinin tətbiqi kimi yeni böyümə üsullarının tədqiqi gələcək tədqiqatlar üçün perspektivli bir yoldur. Qüsurların əmələ gəlməsi mexanizmlərinin əlavə tədqiqi və qabaqcıl xarakteristika üsullarının inkişafı qüsurlara dəqiq nəzarət və optimallaşdırılmış material xüsusiyyətlərinə imkan verəcəkdir. Yüksək keyfiyyətli, qalın 3C-SiC filmlərinin sürətli böyüməsi yüksək gərginlikli cihazların tələblərini ödəmək üçün çox vacibdir, böyümə sürəti və materialın vahidliyi arasındakı tarazlığı həll etmək üçün əlavə tədqiqat tələb edir. SiC/GaN kimi heterostrukturlarda 3C-SiC tətbiqlərindən istifadə etməklə onun güc elektronikası, optoelektron inteqrasiyası və kvant məlumatlarının emalı kimi yeni cihazlarda potensialı tam araşdırıla bilər.

İstinadlar:

[1] Nishino S , Hazuki Y , Matsunami H , et al. Püskürtülmüş SiC Aralıq Layeri ilə Silikon Substratda Tək Kristal β‐SiC Filmlərinin Kimyəvi Buxar Depoziti [J]. Elektrokimya Cəmiyyətinin jurnalı, 1980, 127(12):2674-2680.

[2] Ye Zhizhen, Wang Yadong, Huang Jingyun, et al silisium əsaslı silisium karbid nazik filmlərin aşağı temperaturda böyüməsi üzrə tədqiqat [J], Vacuum Science and Technology, 2002, 022(001):58-60. .

[3] An Xia, Zhuang Huizhao, Li Huaixiang, və başqaları (111) Si substratı üzərində nano-SiC nazik filmlərin hazırlanması: Şandong Normal Universitetinin jurnalı: Təbiət Elmi Nəşri, 2001: 382-384. ..

[4] Seki K, Alexander, Kozawa S, et al. Məhlul artımında həddindən artıq doyma nəzarəti ilə SiC-nin politip-selektiv artımı[J]. Crystal Growth jurnalı, 2012, 360:176-180.

[5] Chen Yao, Zhao Fuqiang, Zhu Bingxian, He Shuai, evdə və xaricdə silisium karbid güc cihazlarının inkişafının icmalı [J], 2020: 49-54.

[6] Li X , Wang G. Təkmilləşdirilmiş morfologiya ilə 4H-SiC substratlarında 3C-SiC təbəqələrinin CVD artımı [J]. Solid State Communications, 2023:371.

[7] Hou Kaiwen Si naxışlı substrat və onun 3C-SiC böyüməsində tətbiqi [D], 2018.

[8]Lars, Hiller, Tomas və b. 3C-SiC(100) Mesa Strukturlarının ECR-Etchingində Hidrogen Effektləri[J].Material Elmləri Forumu, 2014.

[9] Xu Qingfang, 3C-SiC nazik filmlərin lazer kimyəvi buxarının çökdürülməsi ilə hazırlanması [D], Wuhan Texnologiya Universiteti, 2016.

[10] Foisal A R M , Nguyen T , Dinh T K , və digərləri.3C-SiC/Si Heterostruktur: Fotovoltaik Təsir [J] əsasında Mövqe Həssas Detektorlar üçün Mükəmməl Platforma.ACS Tətbiq olunan Materiallar və İnterfeyslər, 2019-cu il: 2090-40.

[11] Xin Bin, CVD prosesinə əsaslanan 3C/4H-SiC heteroepitaksial böyümə: qüsurların təsviri və təkamülü [D].

[12] Dong Lin, Çin Elmlər Akademiyasının geniş ərazili çoxlu vafli epitaksial böyümə texnologiyası və silisium karbidinin fiziki xüsusiyyətlərinin təsviri.

[13] Diani M , Simon L , Kubler L , et al. 6H-SiC(0001) substrat[J] üzərində 3C-SiC politipinin kristal artımı. Crystal Growth jurnalı, 2002, 235(1):95-102.