Lịch sử phát triển của 3C SiC

Như một hình thức quan trọng củaCarbide silicon, lịch sử phát triển của3c-siCphản ánh sự tiến bộ liên tục của khoa học vật liệu bán dẫn. Vào những năm 1980, Nishino et al. Đầu tiên thu được các màng mỏng 4um 3C-SIC trên chất nền silicon bằng cách lắng đọng hơi hóa học (CVD) [1], đặt nền tảng cho công nghệ màng mỏng 3C-SIC.

Những năm 1990 là thời kỳ hoàng kim của nghiên cứu SIC. Cree Research Inc. đã ra mắt các chip 6H-SIC và 4H-SIC vào năm 1991 và 1994, thúc đẩy thương mại hóa củaThiết bị bán dẫn SiC. Tiến bộ công nghệ trong giai đoạn này đã đặt nền móng cho nghiên cứu và ứng dụng 3C-SiC tiếp theo.

Vào đầu thế kỷ 21,Phim silicon dựa trên silicon trong nướccũng phát triển đến một mức độ nhất định. Ye Zhizhen et al. Chuẩn bị các màng mỏng dựa trên silicon bằng CVD trong điều kiện nhiệt độ thấp vào năm 2002 [2]. Năm 2001, một Xia et al. Chuẩn bị các màng mỏng SIC dựa trên silicon bằng cách phóng Magnetron ở nhiệt độ phòng [3].

Tuy nhiên, do sự khác biệt lớn giữa hằng số mạng của SI và SIC (khoảng 20%), mật độ khiếm khuyết của lớp epiticular 3C-SIC tương đối cao, đặc biệt là khiếm khuyết sinh đôi như DPB. Để giảm không khớp mạng, các nhà nghiên cứu sử dụng 6H-SIC, 15R-SIC hoặc 4H-SIC trên bề mặt (0001) làm chất nền để phát triển lớp epiticular 3C-SIC và giảm mật độ khiếm khuyết. Ví dụ, vào năm 2012, Seki, Kazuaki et al. đề xuất công nghệ kiểm soát epitaxy đa hình động, nhận ra sự tăng trưởng chọn lọc đa hình của 3C-SIC và 6H-SiC trên hạt giống bề mặt 6H-SIC (0001) bằng cách kiểm soát quá trình siêu bão hòa [4-5]. Năm 2023, các nhà nghiên cứu như Xun Li đã sử dụng phương pháp CVD để tối ưu hóa sự tăng trưởng và quy trình, và thu được thành cônglớp epiticularKhông có khiếm khuyết DPB trên bề mặt trên đế 4H-SIC với tốc độ tăng trưởng 14um/h [6].

Cấu trúc tinh thể và các lĩnh vực ứng dụng của 3C SiC

Trong số nhiều polytype SiCD, 3C-SiC là polytype khối duy nhất, còn được gọi là β-SiC. Trong cấu trúc tinh thể này, các nguyên tử Si và C tồn tại theo tỷ lệ một-một trong mạng và mỗi nguyên tử được bao quanh bởi bốn nguyên tử không đồng nhất, tạo thành một đơn vị cấu trúc tứ diện có liên kết cộng hóa trị mạnh. Đặc điểm cấu trúc của 3C-SiC là các lớp diatomic Si-C được sắp xếp lặp đi lặp lại theo thứ tự ABC-ABC-…, và mỗi ô đơn vị chứa ba lớp diatomic như vậy, được gọi là biểu diễn C3; cấu trúc tinh thể của 3C-SiC được thể hiện trong hình dưới đây:

Hình 1 Cấu trúc tinh thể của 3C-SIC

Hiện nay, silicon (Si) là vật liệu bán dẫn được sử dụng phổ biến nhất cho các thiết bị điện. Tuy nhiên, do hiệu suất của Si nên các thiết bị năng lượng dựa trên silicon bị hạn chế. So với 4H-SiC và 6H-SiC, 3C-SiC có độ linh động điện tử lý thuyết ở nhiệt độ phòng cao nhất (1000 cm·V-1·S-1) và có nhiều ưu điểm hơn trong các ứng dụng thiết bị MOS. Đồng thời, 3C-SiC còn có các đặc tính tuyệt vời như điện áp đánh thủng cao, độ dẫn nhiệt tốt, độ cứng cao, dải tần rộng, khả năng chịu nhiệt độ cao và khả năng chống bức xạ. Do đó, nó có tiềm năng lớn trong điện tử, quang điện tử, cảm biến và ứng dụng trong điều kiện khắc nghiệt, thúc đẩy sự phát triển và đổi mới các công nghệ liên quan và cho thấy tiềm năng ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực:

Đầu tiên: Đặc biệt là trong môi trường điện áp cao, tần số cao và nhiệt độ cao, điện áp phân hủy cao và tính di động điện tử cao của 3C-SIC khiến nó trở thành một lựa chọn lý tưởng cho các thiết bị năng lượng sản xuất như MOSFET [7]. Thứ hai: Việc áp dụng 3C-SiC trong các hệ thống điện tử nano và vi cơ điện tử (MEMS) từ khả năng tương thích của nó với công nghệ silicon, cho phép sản xuất các cấu trúc nano như điện tử nano và thiết bị cơ điện tử [8]. Thứ ba: Là một vật liệu bán dẫn bandgap rộng, 3C-SIC phù hợp để sản xuấtđiốt phát sáng màu xanh(Đèn LED). Ứng dụng của nó trong ánh sáng, công nghệ hiển thị và laser đã thu hút sự chú ý do hiệu quả phát sáng cao và doping dễ dàng [9]. Thứ tư: Đồng thời, 3C-SIC được sử dụng để sản xuất các máy dò nhạy cảm với vị trí, đặc biệt là các máy dò nhạy cảm với vị trí điểm laser dựa trên hiệu ứng quang điện bên, cho thấy độ nhạy cao trong điều kiện sai lệch bằng không và phù hợp để định vị chính xác [10] .

3. Phương pháp bào chế 3C SiC Heterepitaxy

Các phương pháp tăng trưởng chính của Heteroepitaxy 3C-SIC bao gồmlắng đọng hơi hóa học (CVD), Epitaxy thăng hoa (SE), epitaxy pha lỏng (LPE), epit Wax chùm phân tử (MBE), phún xạ magnetron, v.v. CVD là phương pháp ưa thích cho epit Wax 3C-SiC do khả năng kiểm soát và khả năng thích ứng của nó (như nhiệt độ, lưu lượng khí, áp suất buồng và thời gian phản ứng, có thể tối ưu hóa chất lượng của lớp epitaxy).

Sự lắng đọng hơi hóa học (CVD): Một loại khí hợp chất chứa các phần tử Si và C được truyền vào buồng phản ứng, được làm nóng và phân hủy ở nhiệt độ cao, và sau đó các nguyên tử Si và C được kết tủa trên đế Si, hoặc 6H-SiC, 15R- SIC, chất nền 4H-SIC [11]. Nhiệt độ của phản ứng này thường nằm trong khoảng 1300-1500. Các nguồn Si phổ biến bao gồm SIH4, TCS, MTS, v.v., và các nguồn C chủ yếu bao gồm C2H4, C3H8, v.v., với H2 là khí mang. Quá trình tăng trưởng chủ yếu bao gồm các bước sau: 1. Nguồn phản ứng pha khí được vận chuyển đến vùng lắng đọng trong dòng khí chính. 2. Phản ứng pha khí xảy ra trong lớp ranh giới để tạo ra các tiền chất màng mỏng và các sản phẩm phụ. 3. Sự kết tủa, quá trình hấp phụ và nứt của tiền chất. 4. Các nguyên tử hấp phụ di chuyển và tái tạo trên bề mặt chất nền. 5. Các nguyên tử hấp phụ có hạt nhân và phát triển trên bề mặt cơ chất. 6. Vận chuyển khối lượng khí thải sau phản ứng vào vùng dòng khí chính và được đưa ra khỏi buồng phản ứng. Hình 2 là sơ đồ của CVD [12].

Hình 2 Sơ đồ CVD

Phương pháp epit Wax thăng hoa (SE): Hình 3 là sơ đồ cấu trúc thử nghiệm của phương pháp SE để điều chế 3C-SiC. Các bước chính là phân hủy và thăng hoa của nguồn SiC ở vùng nhiệt độ cao, vận chuyển các chất thăng hoa cũng như phản ứng và kết tinh các chất thăng hoa trên bề mặt chất nền ở nhiệt độ thấp hơn. Chi tiết như sau: Chất nền 6H-SiC hoặc 4H-SiC được đặt trên đỉnh nồi nấu kim loại, vàbột SiC có độ tinh khiết caođược sử dụng làm nguyên liệu thô sic và được đặt ở dưới cùng củanồi nấu bằng than chì. Kim nấu có thể được làm nóng đến 1900-2100 bằng cảm ứng tần số vô tuyến và nhiệt độ cơ chất được kiểm soát thấp hơn nguồn SIC, tạo thành một gradient nhiệt độ dọc trục bên trong nồi nấu kim loại, để vật liệu SIC thăng hoa có thể ngưng tụ và kết tinh trên đế đế Để tạo thành Heteroepitaxial 3C-SIC.

Ưu điểm của epit Wax thăng hoa chủ yếu ở hai khía cạnh: 1. Nhiệt độ epit Wax cao, có thể làm giảm các khuyết tật tinh thể; 2. Nó có thể được khắc để đạt được bề mặt khắc ở cấp độ nguyên tử. Tuy nhiên, trong quá trình tăng trưởng, nguồn phản ứng không thể được điều chỉnh và tỷ lệ silicon-carbon, thời gian, các trình tự phản ứng khác nhau, v.v. không thể thay đổi, dẫn đến giảm khả năng kiểm soát của quá trình tăng trưởng.

Hình 3 Sơ đồ phương pháp SE để nuôi cấy epitaxy 3C-SiC

Epitaxy chùm phân tử (MBE) là công nghệ tăng trưởng màng mỏng tiên tiến, phù hợp để nuôi các lớp epiticular 3C-SiC trên đế 4H-SiC hoặc 6H-SiC. Nguyên tắc cơ bản của phương pháp này là: trong môi trường chân không cực cao, thông qua việc kiểm soát chính xác nguồn khí, các phần tử của lớp epitaxy đang phát triển được nung nóng để tạo thành chùm nguyên tử hoặc chùm phân tử định hướng và chiếu tới bề mặt chất nền được nung nóng trong tăng trưởng epiticular. Các điều kiện chung để trồng 3C-SiClớp epitaxyTrên các chất nền 4H-SIC hoặc 6H-SIC là: trong điều kiện giàu silicon, các nguồn carbon graphene và nguyên chất được kích thích thành các chất khí với súng electron và 1200-1350 được sử dụng làm nhiệt độ phản ứng. Tăng trưởng dị vòng 3C-SIC có thể thu được ở tốc độ tăng trưởng 0,01-0,1 NMS-1 [13].

Kết luận và triển vọng

Thông qua tiến bộ công nghệ liên tục và nghiên cứu cơ chế chuyên sâu, công nghệ dị vòng 3C-SIC dự kiến ​​sẽ đóng một vai trò quan trọng hơn trong ngành công nghiệp bán dẫn và thúc đẩy sự phát triển của các thiết bị điện tử hiệu quả cao. Ví dụ, tiếp tục khám phá các kỹ thuật và chiến lược tăng trưởng mới, chẳng hạn như giới thiệu bầu khí quyển HCL để tăng tốc độ tăng trưởng trong khi duy trì mật độ khiếm khuyết thấp, là hướng nghiên cứu trong tương lai; Nghiên cứu chuyên sâu về cơ chế hình thành khiếm khuyết và phát triển các kỹ thuật đặc tính tiên tiến hơn, như phân tích phát quang và phát quang, để đạt được kiểm soát khiếm khuyết chính xác hơn và tối ưu hóa các tính chất vật liệu; Sự phát triển nhanh chóng của màng dày chất lượng cao 3C-SIC là chìa khóa để đáp ứng nhu cầu của các thiết bị điện áp cao, và cần nghiên cứu thêm để vượt qua sự cân bằng giữa tốc độ tăng trưởng và tính đồng nhất vật liệu; Kết hợp với việc áp dụng 3C-SIC trong các cấu trúc không đồng nhất như SIC/GAN, khám phá các ứng dụng tiềm năng của nó trong các thiết bị mới như điện tử công suất, tích hợp quang điện tử và xử lý thông tin lượng tử.

Tài liệu tham khảo:

[1] Nishino S, Hazuki Y, Matsunami H, et al. Sự lắng đọng hơi hóa học của các màng SiC tinh thể đơn trên chất nền silicon với lớp trung gian SIC được phun [J].

[2] Ye Zhizhen, Wang Yadong, Huang Jingyun, et al. Nghiên cứu về sự tăng trưởng ở nhiệt độ thấp của màng mỏng cacbua silic gốc silicon [J]. .

[3] An Xia, Zhuang Huizhao, Li Huaixiang, et al. Chế tạo màng mỏng nano-SiC bằng phương pháp phún xạ magnetron trên đế (111) Si [J] Tạp chí Đại học Sư phạm Sơn Đông: Ấn bản Khoa học Tự nhiên, 2001: 382-384. ..

[4] Seki K, Alexander, Kozawa S, et al. Tăng trưởng chọn lọc Polytype của SIC bằng cách kiểm soát siêu bão hòa trong tăng trưởng giải pháp [J]. Tạp chí Tăng trưởng Crystal, 2012, 360: 176-180.

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

.

[7] Hou Kaiwen.

[8] Lars, Hiller, Thomas, et al. Hiệu ứng hydro trong việc khắc ECR của các cấu trúc mesa 3C-SIC (100) [J]. Diễn đàn khoa học vật liệu, 2014.

[9] XU Qing Phường.

.

[11] Xin Bin. Sự tăng trưởng dị thể 3C/4H-SiC dựa trên quá trình CVD: đặc tính và sự tiến hóa của khuyết tật [D].

[12] Dong Lin. Công nghệ tăng trưởng epiticular đa wafer diện tích lớn và đặc tính vật lý của silicon Carbide [D].

[13] Diani M, Simon L, Kubler L, et al. Tăng trưởng tinh thể của polytype 3c-sic trên chất nền 6H-SIC (0001) [J]. Tạp chí Tăng trưởng tinh thể, 2002, 235 (1): 95-102.