تحليل 3C-SiC Heteroepitaxy

تاريخ تطوير 3C-SiC

3C-SiC ، وهو بوليمورف حاسم لكربيد السيليكون (SiC) ، تطورت من خلال التقدم في علوم مواد أشباه الموصلات. في الثمانينيات ، نيشينو وآخرون.تم الحصول لأول مرة على أفلام 3C-SiC سميكة 4 μm على الركائز السيليكونية عن طريق ترسب البخار الكيميائي (CVD)، ووضع الأساس لتكنولوجيا 3C-SiC للشريحة الرقيقة. شهدت التسعينيات حقبة ذهبية لأبحاث SiC ، مع Cree Research Inc تسويق رقائق 6H-SiC و 4H-SiC في عامي 1991 و 1994 ، على التوالي.,تسريع تسويق الأجهزة القائمة على SiC.

في أوائل القرن الحادي والعشرين، تقدم البحث المحلي في أفلام SiC القائمة على السيليكون. طورت Ye Zhizhen et al. أفلام SiC القائمة على السيليكون ذات درجة حرارة منخفضة من CVD في عام 2002 ، في حين أن Xia et al.أفلام SiC المصنوعة في درجة حرارة الغرفة بالبثور المغناطيسي في عام 2001ومع ذلك، فإن عدم تطابق الشبكة الكبير (~ 20٪) بين Si و SiC أدى إلى كثافة العيوب العالية، وخاصة حدود المواقع المزدوجة (DPBs) ، في 3C-SiC epilayers.الباحثون اعتمدوا (0001) موجهة 6H-SiCعلى سبيل المثال ، سيكي وآخرون (2012) رائدون في التحكم الحركي البوليمورفي البيتاكسي لزيادة 3C-SiC بشكل انتقائي على 6H-SiC ((0001). بحلول عام 2023 ، شون لي وآخرون.معايير CVD الأمثل لتحقيق طبقات 3C-SiC الخالية من DPB على الركائز 4H-SiC بمعدلات نمو 14 μm / h.

هيكل الكريستال ومجالات التطبيق

من بين أنواع SiC المتعددة ، 3C-SiC (β-SiC) هو البوليمورف المكعب الوحيد. يحتوي هيكله على ذرات Si و C بنسبة 1: 1 ، مما يشكل شبكة رباعية مع طبقات ثنائية مكدسة ABC (ملاحظة C3).المزايا الرئيسية تشمل:

• تحرك الكترونات العالي(1000 سم 2 · ف -1 · س -1 في درجة حرارة الغرفة) ، أعلى من 4H / 6H-SiC ، مما يتيح MOSFETs الكفاءة.
• التوصيل الحراري الاستثنائي(> 350 W / m · K) ومساحة واسعة (3.2 eV) ، تدعم درجات الحرارة العالية (> 1000 ° C) والتطبيقات المقاومة للإشعاع.
• - نعمالشفافية على نطاق واسع(UV إلى منتصف الأشعة تحت الحمراء) والحصانة الكيميائية ، مثالية للأجهزة الإلكترونية الضوئية وأجهزة استشعار البيئة القاسية.

نطاق التطبيق:

1. إلكترونيات الطاقة:MOSFETs عالية الجهد / عالية التردد التي تستفيد من كثافة مصيدة واجهة منخفضة (على سبيل المثال ، < 5 × 1010 cm-2 · eV-1) لتقليل تسرب البوابة.
2. MEMS/NEMS:تتيح التوافق مع معالجة السيليكون أجهزة النانو (مثل الموجات الصوتية والحركات).
3. - نعمالألكترونيات الضوئية:مصابيح LED الزرقاء وأجهزة الكشف الضوئي ذات الكفاءة الكمية الخارجية العالية (> 60٪).
4. تقنيات الكم:رصيف لأفلام فائقة التوصيل (مثل MgB2) في الدوائر الكمية.

الشكل 1 هيكل بلورية من 3C-SiC

ثالثاً: طرق النمو المتعددة الأجزاء

التقنيات الرئيسية لـ 3C-SiC heteroepitaxy:

1. ترسب البخار الكيميائي (CVD)

• العملية: تتحلل خليطات SiH4/C2H4/H2 عند 1300~1500 درجة مئوية على الركائز Si أو 4H-SiC.
• الخطوات: ردود الفعل في مرحلة الغاز → امتصاص السلائف → هجرة السطح → النواة → النمو.
• المزايا: قابلية عالية للتحكم في درجة الحرارة (± 0.5°C) ، والضغط (50~80 mbar) ، ونسب الغازات (C/Si = 0.9~1.2).

- نعم

2إبتاكسي التخفيف (SE)

• الإعداد: مسحوق SiC في صخرة الجرافيت التي يتم تسخينها إلى 19002100 درجة مئوية؛ يتكثف بخار SiC على رصيف أكثر برودة.
• المزايا: معدلات نمو عالية (> 10 ميكرومتر / ساعة) وتسهيل السطح على نطاق ذري.
• القيود: نسب ثابتة لـ Si/C و قابلية محدودة لضبط العملية.

الشكل 2 مخطط مبدأ CVD

- نعم

3(ميكوليكولير بيام إبيتاكسي)

• الظروف: فراغ فائق الارتفاع (<10−10 mbar) ، أشعة إلكترونية تبخر أشعة Si/C عند 1200°C~1350°C.
• التطبيقات: أجهزة إزالة العيوب المنخفضة (< 103 سم-2) للأجهزة الكمية.

- نعم

4" نهج هجين "

• طبقات العازلة: الهيترولوجيات 4H-SiC / 3C-SiC مع واجهات مزروعة بالأيونات تقلل من DPBs (الكثافة < 0.3 سم - 2).
• هيدروكلوريد الدوبينج: يزيد من معدلات النمو (حتى 20 ميكرومتر في الساعة) مع قمع العيوب.

الشكل 3 مخطط نمو 3C-SiC epitaxial باستخدام طريقة SE

التحديات والاتجاهات المستقبلية

مراقبة العيوب:

• الآلية: عدم تطابق الشبكة (Δa / a ≈ 1.5%) وآنيزوتروبية التوسع الحراري تؤدي إلى DPBs وأخطاء التراص.
• الحلول: الشبكات الفائقة المكافأة للجهد أو الدوبينج التدرجية.

2قابلية التوسع

• حجم الوافر: الانتقال من الركائز 4 بوصة إلى 8 بوصة عن طريق تحسين التوحيد الحراري (تغير < 1 درجة مئوية).

- نعم

3دمج الأجهزة:

• المهجّرات SiC/GaN: عازلات 3C-SiC لـ GaN-on-SiC HEMTs ، والتي تجمع بين الحركة العالية (2000 cm2·V−1·S−1) والتبديد الحراري.

4. التوصيف:

• مراقبة في الموقع: طيف رامان لتتبع العيوب في الوقت الحقيقي.

الخلاصة

3C-SiC heteroepitaxy يجمع الفجوة في الأداء بين السيليكون وشرائح أشباه الموصلات واسعة النطاق. التقدم في نمو CVD / MBE وتخفيف العيوب (على سبيل المثال ،إلكترونيات القوة الجيل القادم، أجهزة الترددات الراديوية، والأنظمة الكمية. وسوف يركز العمل في المستقبل على هندسة العيوب على نطاق ذري والهيترولوجيا الهجينة لفتح التطبيقات عالية التردد فائقة (> 100 جيگاهرتز) والباردة.

تقدم ZMSH Advanced Materials حلول شاملة لكربيد السيليكون (SiC) ، بما في ذلك الركائز SiC من النوع 3C-N المصممة خصيصًا لأجهزة الإلكترونيات عالية الأداء وأجهزة RF. خدمات المعالجة المخصصة لدينا تستوعب الهندسة المختلفة (على سبيل المثال، رقائق، البلاطات) والأبعاد (حتى رقائق 12 بوصة) ، معالجة التطبيقات في محولات EV، الاتصالات 5G،وأجهزة استشعار صناعية.