Heteroepitaxy ng 3C-SiC: Isang Pangkalahatang-ideya

1. Makasaysayang Pag-unlad ng 3C-SiC

Ang pagbuo ng 3C-SiC, isang makabuluhang polytype ng silicon carbide, ay sumasalamin sa patuloy na pagsulong ng semiconductor material science. Noong 1980s, Nishino et al. unang nakamit ang isang 4 μm makapal na 3C-SiC film sa isang silicon substrate gamit ang chemical vapor deposition (CVD)[1], na naglalagay ng pundasyon para sa 3C-SiC thin-film na teknolohiya.

Ang 1990s ay minarkahan ang isang ginintuang edad para sa SiC research. Ang paglunsad ng Cree Research Inc. ng 6H-SiC at 4H-SiC chips noong 1991 at 1994, ayon sa pagkakabanggit, ay nagtulak sa komersyalisasyon ng mga SiC semiconductor device. Ang teknolohikal na pag-unlad na ito ay naglatag ng batayan para sa kasunod na pananaliksik at mga aplikasyon ng 3C-SiC.

Sa unang bahagi ng ika-21 siglo, ang mga pelikulang SiC na nakabase sa silikon ay nakakita rin ng makabuluhang pag-unlad sa China. Ye Zhizhen et al. gawa-gawang SiC films sa silicon substrates gamit ang CVD sa mababang temperatura noong 2002[2], habang ang An Xia et al. nakamit ang mga katulad na resulta gamit ang magnetron sputtering sa temperatura ng silid noong 2001[3].

Gayunpaman, ang malaking sala-sala na mismatch sa pagitan ng Si at SiC (humigit-kumulang 20%) ay humantong sa isang mataas na density ng depekto sa 3C-SiC epitaxial layer, lalo na ang double positioning boundaries (DPBs). Upang mapagaan ito, pinili ng mga mananaliksik ang mga substrate tulad ng 6H-SiC, 15R-SiC, o 4H-SiC na may (0001) na oryentasyon para sa pagpapalaki ng mga 3C-SiC na epitaxial layer, sa gayon ay binabawasan ang density ng depekto. Halimbawa, noong 2012, Seki, Kazuaki et al. nagmungkahi ng isang kinetic polymorphism control technique, na nakakamit ng selective growth ng 3C-SiC at 6H-SiC sa 6H-SiC(0001) na mga buto sa pamamagitan ng pagkontrol sa supersaturation[4-5]. Noong 2023, si Xun Li et al. matagumpay na nakakuha ng makinis na 3C-SiC epitaxial layer na walang mga DPB sa 4H-SiC substrates gamit ang na-optimize na paglaki ng CVD na may rate na 14 μm/h[6].

2. Crystal Structure at Application ng 3C-SiC

Kabilang sa maraming SiC polytypes, ang 3C-SiC, na kilala rin bilang β-SiC, ay ang tanging cubic polytype. Sa istrukturang kristal na ito, ang mga Si at C na atom ay umiiral sa isang one-to-one ratio, na bumubuo ng isang tetrahedral unit cell na may malakas na covalent bond. Ang istraktura ay nailalarawan sa pamamagitan ng mga Si-C bilayer na nakaayos sa isang ABC-ABC-… na pagkakasunud-sunod, na ang bawat unit cell ay naglalaman ng tatlong tulad na mga bilayer, na tinutukoy ng C3 notation. Ang Figure 1 ay naglalarawan ng kristal na istraktura ng 3C-SiC.

                                                                                                                                                                           Figure 1. Crystal structure ng 3C-SiC

Sa kasalukuyan, ang silikon (Si) ay ang pinakamalawak na ginagamit na materyal na semiconductor para sa mga power device. Gayunpaman, ang mga likas na limitasyon nito ay naghihigpit sa pagganap nito. Kung ikukumpara sa 4H-SiC at 6H-SiC, ang 3C-SiC ay nagtataglay ng pinakamataas na theoretical electron mobility sa room temperature (1000 cm2·V-1·s-1), na ginagawa itong mas kapaki-pakinabang para sa MOSFET applications. Bukod pa rito, ang mataas na breakdown na boltahe nito, mahusay na thermal conductivity, mataas na tigas, malawak na bandgap, mataas na temperatura na resistensya, at radiation resistance ay ginagawang lubos na nangangako ang 3C-SiC para sa mga aplikasyon sa electronics, optoelectronics, sensor, at matinding kapaligiran:

High-Power, High-Frequency, at High-Temperature Application: Ang mataas na breakdown voltage ng 3C-SiC at mataas na electron mobility ay ginagawa itong perpekto para sa paggawa ng mga power device tulad ng MOSFET, lalo na sa mga demanding environment[7].

Nanoelectronics at Microelectromechanical System (MEMS): Ang pagiging tugma nito sa teknolohiyang silikon ay nagbibigay-daan para sa paggawa ng mga istrukturang nanoscale, na nagpapagana ng mga aplikasyon sa nanoelectronics at MEMS na mga aparato[8].

Optoelectronics:Bilang isang malawak na bandgap na materyal na semiconductor, ang 3C-SiC ay angkop para sa asul na light-emitting diodes (LEDs). Ang mataas na makinang na kahusayan at kadalian ng doping ay ginagawa itong kaakit-akit para sa mga aplikasyon sa pag-iilaw, mga teknolohiya ng display, at mga laser[9].

Mga sensor:Ang 3C-SiC ay ginagamit sa mga position-sensitive detector, partikular na sa laser spot position-sensitive detector batay sa lateral photovoltaic effect. Ang mga detector na ito ay nagpapakita ng mataas na sensitivity sa ilalim ng zero bias na mga kondisyon, na ginagawang angkop ang mga ito para sa mga application ng precision positioning[10].

3. Mga Paraan ng Paghahanda para sa 3C-SiC Heteroepitaxy

Kasama sa mga karaniwang pamamaraan para sa 3C-SiC heteroepitaxy ang chemical vapor deposition (CVD), sublimation epitaxy (SE), liquid phase epitaxy (LPE), molecular beam epitaxy (MBE), at magnetron sputtering. Ang CVD ay ang ginustong pamamaraan para sa 3C-SiC epitaxy dahil sa kakayahang kontrolin at kakayahang umangkop sa mga tuntunin ng temperatura, daloy ng gas, presyon ng silid, at oras ng reaksyon, na nagbibigay-daan sa pag-optimize ng kalidad ng layer ng epitaxial.

Chemical Vapor Deposition (CVD):Ang mga gas na compound na naglalaman ng Si at C ay ipinapasok sa isang silid ng reaksyon at pinainit sa mataas na temperatura, na humahantong sa kanilang pagkabulok. Ang Si at C atoms pagkatapos ay idineposito sa isang substrate, karaniwang Si, 6H-SiC, 15R-SiC, o 4H-SiC [11]. Karaniwang nangyayari ang reaksyong ito sa pagitan ng 1300-1500°C. Kasama sa karaniwang Si source ang SiH4, TCS, at MTS, habang ang C source ay pangunahing C2H4 at C3H8, na may H2 bilang carrier gas. Ang Figure 2 ay naglalarawan ng isang eskematiko ng proseso ng CVD[12].

                                                                                                                                                               Figure 2. Schematic ng proseso ng CVD

Sublimation Epitaxy (SE):Sa pamamaraang ito, ang isang 6H-SiC o 4H-SiC na substrate ay inilalagay sa tuktok ng isang crucible, na may mataas na kadalisayan na SiC powder bilang pinagmumulan ng materyal sa ibaba. Ang crucible ay pinainit sa 1900-2100°C sa pamamagitan ng radio frequency induction, pinapanatili ang temperatura ng substrate na mas mababa kaysa sa temperatura ng pinagmulan upang lumikha ng gradient ng temperatura ng ehe. Pinapayagan nito ang sublimated SiC na mag-condense at mag-kristal sa substrate, na bumubuo ng 3C-SiC heteroepitaxy.

Molecular Beam Epitaxy (MBE):Ang advanced na thin-film growth technique na ito ay angkop para sa pagpapalaki ng 3C-SiC epitaxial layer sa 4H-SiC o 6H-SiC na mga substrate. Sa ilalim ng napakataas na vacuum, ang tumpak na kontrol ng mga pinagmumulan ng gas ay nagbibigay-daan sa pagbuo ng mga direksyong atomic o molekular na sinag ng mga elementong bumubuo. Ang mga beam na ito ay nakadirekta patungo sa pinainit na ibabaw ng substrate para sa paglaki ng epitaxial.

4. Konklusyon at Outlook

Sa patuloy na pag-unlad ng teknolohiya at malalim na pag-aaral ng mekanismo, ang 3C-SiC heteroepitaxy ay nakahanda upang gumanap ng lalong mahalagang papel sa industriya ng semiconductor, na nagtutulak sa pagbuo ng mga elektronikong device na matipid sa enerhiya. Ang paggalugad ng mga bagong diskarte sa paglago, tulad ng pagpapakilala ng mga HCl atmosphere upang mapahusay ang mga rate ng paglago habang pinapanatili ang mababang density ng depekto, ay isang magandang paraan para sa hinaharap na pananaliksik. Ang karagdagang pagsisiyasat sa mga mekanismo ng pagbuo ng depekto at ang pagbuo ng mga advanced na diskarte sa paglalarawan ay magbibigay-daan sa tumpak na kontrol ng depekto at na-optimize na mga katangian ng materyal. Ang mabilis na paglaki ng mataas na kalidad, makapal na 3C-SiC na mga pelikula ay mahalaga para matugunan ang mga hinihingi ng mga device na may mataas na boltahe, na nangangailangan ng karagdagang pananaliksik upang matugunan ang balanse sa pagitan ng rate ng paglago at pagkakapareho ng materyal. Sa pamamagitan ng paggamit ng mga aplikasyon ng 3C-SiC sa mga heterostructure tulad ng SiC/GaN, ang potensyal nito sa mga nobelang device tulad ng power electronics, optoelectronic integration, at pagpoproseso ng quantum na impormasyon ay maaaring ganap na tuklasin.

Mga sanggunian:

[1] Nishino S , Hazuki Y , Matsunami H ,et al. Chemical Vapor Deposition ng Single Crystalline β‐SiC Films sa Silicon Substrate na may Sputtered SiC Intermediate Layer[J].Journal of The Electrochemical Society, 1980, 127(12):2674-2680.

[2] Ye Zhizhen, Wang Yadong, Huang Jingyun, et al. Pananaliksik tungkol sa mababang temperatura ng paglaki ng mga silicon carbide na manipis na pelikula [J]. .

[3] An Xia, Zhuang Huizhao, Li Huaixiang, et al Paghahanda ng mga nano-SiC na manipis na pelikula sa pamamagitan ng pag-sputter ng magnetron sa (111) Si substrate [J]. ..

[4] Seki K, Alexander, Kozawa S, et al. Polytype-selective na paglago ng SiC sa pamamagitan ng supersaturation control sa paglago ng solusyon [J]. Journal of Crystal Growth, 2012, 360:176-180.

[5] Chen Yao, Zhao Fuqiang, Zhu Bingxian, He Shuai Pangkalahatang-ideya ng pagbuo ng mga aparatong pang-power ng silicon sa bahay at sa ibang bansa [J].

[6] Li X , Wang G .CVD growth ng 3C-SiC layers sa 4H-SiC substrates na may pinahusay na morphology[J].Solid State Communications, 2023:371.

[7] Pananaliksik sa Si patterned substrate at aplikasyon nito sa paglago ng 3C-SiC [D].

[8]Lars, Hiller, Thomas, et al. Mga Epekto ng Hydrogen sa ECR-Etching ng 3C-SiC(100) Mesa Structures[J].Materials Science Forum, 2014.

[9] Xu Qingfang Paghahanda ng 3C-SiC thin films sa pamamagitan ng laser chemical vapor deposition [D].

[10] Foisal A R M , Nguyen T , Dinh T K ,et al.3C-SiC/Si Heterostructure: Isang Napakahusay na Platform para sa Position-Sensitive Detectors Batay sa Photovoltaic Effect[J].ACS Applied Materials & Interfaces, 2019: 40980-40987.

[11] Xin Bin 3C/4H-SiC heteroepitaxial growth batay sa proseso ng CVD: defect characterization at evolution [D].

[12] Dong Lin na teknolohiya sa paglago ng multi-wafer na may malaking lugar at katangian ng pisikal na katangian ng silicon carbide [D].

[13] Diani M , Simon L , Kubler L ,et al. Crystal growth ng 3C-SiC polytype sa 6H-SiC(0001) substrate[J]. Journal of Crystal Growth, 2002, 235(1):95-102.