Die Entwicklungsgeschichte von 3c sic

Als wichtige Form vonSiliziumkarbid, die Entwicklungsgeschichte von3c-siCspiegelt den kontinuierlichen Fortschritt der Halbleitermaterialwissenschaft wider. In den 1980er Jahren haben Nishino et al. erhielten erstmals 4 µm dicke 3C-SiC-Dünnfilme auf Siliziumsubstraten durch chemische Gasphasenabscheidung (CVD) [1] und legten damit den Grundstein für die 3C-SiC-Dünnfilmtechnologie.

Die 1990er Jahre waren das goldene Zeitalter der SIC -Forschung. Cree Research Inc. startete 1991 und 1994 6H-SIC- und 4H-SIC-Chips, was die Kommerzialisierung von Förderung von FörderungSic semiconductor devices. Der technologische Fortschritt in dieser Zeit legte die Grundlage für die anschließende Forschung und Anwendung von 3C-SIC.

Zu Beginn des 21. JahrhundertsInländische sic dünne Filme auf Siliziumbasisauch bis zu einem gewissen Grad entwickelt. Ye Zhizhen et al. stellten im Jahr 2002 siliziumbasierte SiC-Dünnfilme durch CVD unter Niedertemperaturbedingungen her [2]. Im Jahr 2001 stellten An Xia et al. stellten dünne SiC-Filme auf Siliziumbasis durch Magnetronsputtern bei Raumtemperatur her [3].

Aufgrund des großen Unterschieds zwischen der Gitterkonstante von Si und der von SIC (ca. 20%) ist die Defektdichte von 3C-Sic-Epitaxialschicht jedoch relativ hoch, insbesondere der Doppeldefekt wie DPB. Um das Gitterfehlanpassung zu reduzieren, verwenden Forscher 6H-SIC, 15R-SIC oder 4H-SIC auf der (0001) Oberfläche als Substrat, um 3c-sic-Epitaxienschicht zu wachsen und die Defektdichte zu reduzieren. Zum Beispiel 2012 haben Seki, Kazuaki et al. schlug die dynamische polymorphe Epitaxienkontrolltechnologie vor, die das polymorphe selektive Wachstum von 3c-sic und 6H-SIC auf dem Oberflächensamen von 6H-SIC (0001) durch Kontrolle der Übersättigung realisiert [4-5]. Im Jahr 2023 verwendeten Forscher wie Xun Li die CVDEpitaxieschichtOhne DPB-Defekte an der Oberfläche an einem 4H-SIC-Substrat mit einer Wachstumsrate von 14 °/h [6].

Kristallstruktur und Anwendungsgebiete von 3C SiC

Unter vielen SiCD-Polytypen ist 3C-SiC der einzige kubische Polytyp, auch bekannt als β-SiC. In dieser Kristallstruktur existieren Si- und C-Atome im Verhältnis eins zu eins im Gitter, und jedes Atom ist von vier heterogenen Atomen umgeben, die eine tetraedrische Struktureinheit mit starken kovalenten Bindungen bilden. Das Strukturmerkmal von 3C-SiC besteht darin, dass die zweiatomigen Si-C-Schichten wiederholt in der Reihenfolge ABC-ABC-… angeordnet sind und jede Elementarzelle drei solcher zweiatomiger Schichten enthält, was als C3-Darstellung bezeichnet wird. Die Kristallstruktur von 3C-SiC ist in der folgenden Abbildung dargestellt:

Abbildung 1 Kristallstruktur von 3c-sic

Derzeit ist Silizium (Si) das am häufigsten verwendete Halbleitermaterial für Leistungsgeräte. Aufgrund der Leistung von Si sind siliziumbasierte Leistungsbauelemente jedoch begrenzt. Im Vergleich zu 4H-SiC und 6H-SiC weist 3C-SiC die höchste theoretische Elektronenmobilität bei Raumtemperatur auf (1000 cm·V-1·S-1) und bietet weitere Vorteile bei MOS-Geräteanwendungen. Gleichzeitig verfügt 3C-SiC auch über hervorragende Eigenschaften wie hohe Durchbruchspannung, gute Wärmeleitfähigkeit, hohe Härte, große Bandlücke, hohe Temperaturbeständigkeit und Strahlungsbeständigkeit. Daher verfügt es über ein großes Potenzial in der Elektronik, Optoelektronik, Sensorik und Anwendungen unter extremen Bedingungen, fördert die Entwicklung und Innovation verwandter Technologien und zeigt ein breites Anwendungspotenzial in vielen Bereichen:

Erstens: Insbesondere in Umgebungen mit hoher Spannung, Hochfrequenz- und Hochtemperatur machen die hohe Breakdown-Spannung und die hohe Elektronenmobilität von 3C-SIC zu einer idealen Wahl für Herstellungskraftgeräte wie MOSFET [7]. Zweitens: Die Anwendung von 3C-SIC in Nanoelektronik- und mikroelektromechanischen Systemen (MEMS) profitiert von seiner Kompatibilität mit der Siliziumtechnologie und ermöglicht die Herstellung nanoskaliger Strukturen wie nanoelektronische und nanoelektromechanische Geräte [8]. Drittens: Als breites Bandgap-Halbleitermaterial ist 3C-SIC für die Herstellung von geeignetblaue hellemittierende Dioden(LEDs). Die Anwendung in Beleuchtung, Display -Technologie und Lasern hat aufgrund seiner hohen Leuchtmittel und der einfachen Doping Aufmerksamkeit erregt [9]. Viertens: Gleichzeitig wird 3C-SIC zur Herstellung von positionsensitiven Detektoren verwendet, insbesondere laserpositionsensempfindliche Detektoren basierend auf dem lateralen Photovoltaik-Effekt, der unter Null-Verzerrungsbedingungen eine hohe Empfindlichkeit aufweist und für eine präzise Positionierung geeignet ist [10] .

3. Herstellungsmethode der 3C-SiC-Heteroepitaxie

Zu den Hauptwachstumsmethoden der 3C-Sic-Heteroepitaxie gehörenchemische Dampfabscheidung (CVD), Sublimationsepitaxie (SE), flüssige Phasenpitaxie (LPE), Molekularstrahlepitaxie (MBE), Magnetronsputtern usw. CVD ist aufgrund seiner Kontrollierbarkeit und Anpassungsfähigkeit (wie Temperatur, Gasfluss, Kammerdruck und Reaktionszeit, die die Qualität optimieren kann) die bevorzugte Methode für die 3C-SiC-Epitaxie Epitaxieschicht).

Chemische Dampfabscheidung (CVD): Ein zusammengesetztes Gas, das Si- und C-Elemente enthält SIC, 4H-SIC-Substrat [11]. Die Temperatur dieser Reaktion liegt normalerweise zwischen 1300 und 1500 ℃. Zu den gemeinsamen SI -Quellen gehören SIH4, TCS, MTS usw., und C -Quellen umfassen hauptsächlich C2H4, C3H8 usw. mit H2 als Trägergas. Der Wachstumsprozess enthält hauptsächlich die folgenden Schritte: 1. Die Gasphasenreaktionsquelle wird in die Hauptgasströmung in die Abscheidungszone transportiert. 2. In der Grenzschicht tritt eine Gasphasenreaktion auf, um dünne Filmvorläufer und Nebenprodukte zu erzeugen. 3.. Die Niederschlags-, Adsorptions- und Rissprozesse des Vorläufers. 4. Die adsorbierten Atome wandern und rekonstruieren auf der Substratoberfläche. 5. Die adsorbierten Atome neigen und wachsen auf der Substratoberfläche. 6. Der Massentransport des Abfallgases nach der Reaktion in die Hauptgasströmungszone und wird aus der Reaktionskammer genommen. 2 ist ein schematisches Diagramm von CVD [12].

Abbildung 2 schematisches Diagramm von CVD

Methode der Sublimationsepitaxie (SE): Abbildung 3 ist ein experimentelles Strukturdiagramm der SE-Methode zur Herstellung von 3C-SiC. Die Hauptschritte sind die Zersetzung und Sublimation der SiC-Quelle in der Hochtemperaturzone, der Transport der Sublimate sowie die Reaktion und Kristallisation der Sublimate auf der Substratoberfläche bei niedrigerer Temperatur. Die Einzelheiten sind wie folgt: 6H-SiC- oder 4H-SiC-Substrat wird auf die Oberseite des Tiegels gelegt undHigh-Purity-SiC-Pulverwird als SiC-Rohmaterial verwendet und am Boden des platziertGraphit Crucible. Der Schmelztiegel wird durch Funkfrequenzinduktion auf 1900-2100 ℃ erhitzt, und die Substrattemperatur wird auf niedriger als die sic Zum Bild von 3C-sic heteroepitaxial.

Die Vorteile der Sublimationsepitaxie liegen hauptsächlich in zwei Aspekten: 1. Die Epitaxietemperatur ist hoch, wodurch Kristallfehler reduziert werden können. 2. Es kann geätzt werden, um eine geätzte Oberfläche auf atomarer Ebene zu erhalten. Während des Wachstumsprozesses kann jedoch die Reaktionsquelle nicht angepasst werden und das Silizium-Kohlenstoff-Verhältnis, die Zeit, verschiedene Reaktionssequenzen usw. können nicht geändert werden, was zu einer Verschlechterung der Kontrollierbarkeit des Wachstumsprozesses führt.

Abbildung 3 Schematische Diagramm der SE-Methode zum Anbau von 3C-Sic-Epitaxie

Molekular Beam Epitaxy (MBE) ist eine fortschrittliche Dünnfilmwachstumstechnologie, die für den Anbau von 3C-SIC-Epitaxialschichten auf 4H-SIC- oder 6H-SIC-Substraten geeignet ist. Das Grundprinzip dieser Methode ist: In einer ultrahohen Vakuumumgebung werden durch genaue Kontrolle des Quellgas die Elemente der wachsenden epitaxialen Schicht erhitzt, um einen gerichteten Atomstrahl oder einen molekularen Strahl zu bilden und auf der erhitzten Substratoberfläche für die erhitzte Substratoberfläche zu fällen Epitaxialwachstum. Die gemeinsamen Bedingungen für den Anbau von 3c-sicEpitaxieschichtenauf 4H-SiC- oder 6H-SiC-Substraten sind: Unter siliziumreichen Bedingungen werden Graphen und reine Kohlenstoffquellen mit einer Elektronenkanone zu gasförmigen Substanzen angeregt, und als Reaktionstemperatur werden 1200-1350℃ verwendet. Heteroepitaxiales 3C-SiC-Wachstum kann mit einer Wachstumsrate von 0,01–0,1 nms-1 erreicht werden [13].

Fazit und Ausblick

Durch kontinuierliche technologische Fortschritt und eingehende Mechanismusforschung wird erwartet, dass die 3C-Sic-Heteroepitaxial-Technologie in der Halbleiterindustrie eine wichtigere Rolle spielt und die Entwicklung hochwirksamer elektronischer Geräte fördert. Beispielsweise ist es die Richtung der Richtung der zukünftigen Forschung, beispielsweise neue Wachstumstechniken und -strategien wie die Einführung der HCL -Atmosphäre, um die Wachstumsrate zu erhöhen und gleichzeitig eine niedrige Defektdichte aufrechtzuerhalten. Eingehende Untersuchungen zum Mechanismus der Defektbildung und die Entwicklung fortschrittlicherer Charakterisierungstechniken wie Photolumineszenz und Cathodolumineszenzanalyse, um eine genauere Defektkontrolle zu erzielen und die Materialeigenschaften zu optimieren. Das schnelle Wachstum von hochwertigem dickem Film 3C-SIC ist der Schlüssel zur Erfüllung der Bedürfnisse von Hochspannungsgeräten. Weitere Forschungen sind erforderlich, um das Gleichgewicht zwischen Wachstumsrate und materieller Gleichmäßigkeit zu überwinden. In Kombination mit der Anwendung von 3C-SIC in heterogenen Strukturen wie SIC/GAN untersuchen Sie seine potenziellen Anwendungen in neuen Geräten wie Stromelektronik, optoelektronischer Integration und Quanteninformationsverarbeitung.

Referenzen:

[1] Nishino S., Hazuki Y., Matsunami H. et al. Chemische Gasphasenabscheidung einkristalliner β-SiC-Filme auf Siliziumsubstrat mit gesputterter SiC-Zwischenschicht[J].Journal of The Electrochemical Society, 1980, 127(12):2674-2680.

[2] Ye Zhizhen, Wang Yadong, Huang Jingyun, et al. Forschung zum Niedertemperaturwachstum von Siliziumkarbid-Dünnschichten [J]. .

[3] An Xia, Zhuang Huizhao, Li Huaixiang, et al. Herstellung von Nano-SiC-Dünnfilmen durch Magnetronsputtern auf (111) Si-Substrat [Journal of Shandong Normal University: Natural Science Edition, 2001: 382-384]. ..

[4] Seki K, Alexander, Kozawa S, et al. Polytypenselektives Wachstum von SiC durch Übersättigungskontrolle beim Lösungswachstum[J]. Journal of Crystal Growth, 2012, 360:176-180.

[5] Chen Yao, Zhao Fuqiang, Zhu Bingxian, He Shuai Überblick über die Entwicklung von Siliziumkarbid-Stromversorgungsgeräten im In- und Ausland [J], 2020: 49-54.

[6] Li X, Wang G.CVD-Wachstum von 3c-sic-Schichten auf 4H-SIC-Substraten mit verbesserter Morphologie [j]. Solid State Communications, 2023: 371.

[7] Hou Kaiwen. Forschung zu Si-strukturiertem Substrat und seiner Anwendung beim 3C-SiC-Wachstum [D].

[8]Lars, Hiller, Thomas, et al. Wasserstoffeffekte beim ECR-Ätzen von 3C-SiC(100)-Mesa-Strukturen[J].Materials Science Forum, 2014.

[9] Xu Qingfang.

[10] Foisal A R M, Nguyen T., Dinh T. K. et al.3c-sic/Si-Heterostruktur: Eine hervorragende Plattform für positionsensitive Detektoren basierend auf Photovoltaik-Effekt [J] .ACS Applied Materials & Interfaces, 2019: 40980-40987.

[11] Xin Bin.

[12] Dong Lin.

[13] Diani M, Simon L, Kubler L, et al. Kristallwachstum von 3c-Sic-Polytype am 6H-SIC (0001) -Substrat [j]. Journal of Crystal Growth, 2002, 235 (1): 95-102.