3C-SiC Heteroepitaxy analizi

I. 3C-SiC'nin Gelişim Tarihi

Silikon karbidinin (SiC) kritik bir polimorfu olan 3C-SiC, yarı iletken malzeme bilimindeki ilerlemelerle evrimleşti.İlk kez 4 μm kalınlığında 3C-SiC filmleri silikon substratlar üzerinde kimyasal buhar birikimi (CVD) yoluyla elde edildi1990'lar SiC araştırması için altın bir dönemdi, Cree Research Inc. sırasıyla 1991 ve 1994'te 6H-SiC ve 4H-SiC yongalarını ticarileştirdi.,SiC tabanlı cihazların ticarileştirilmesini hızlandırmak.

21. yüzyılın başlarında, silikon bazlı SiC filmleri üzerindeki yerli araştırma ilerledi.2001 yılında oda sıcaklığında magnetronla püskürtülmüş SiC filmleri üretildiBununla birlikte, Si ve SiC arasındaki büyük ızgara uyumsuzluğu (% 20) 3C-SiC epilayerlerinde yüksek kusur yoğunluklarına, özellikle çift pozisyon sınırlarına (DPB) yol açtı.Araştırmacılar (0001) odaklı 6H-SiC'yi benimsediler.Örneğin, Seki et al. (2012), 6H-SiC üzerinde seçici olarak 3C-SiC yetiştirmek için kinetik polimorf epitaksyal kontrolün öncülüğünü yaptı.4H-SiC substratları üzerinde DPB'siz 3C-SiC epilayers elde etmek için 14 μm/h büyüme oranlarında optimize edilmiş CVD parametreleri.

II. Kristal yapısı ve uygulama alanları

SiC politipleri arasında, 3C-SiC (β-SiC) tek kübik polimorftur. Yapısı, Si ve C atomlarını 1: 1 oranında içerir ve ABC yığılmış iki katmanlı (C3 notasyonu) bir tetraeder ağ oluşturur.Ana avantajları şunlardır::

• Yüksek elektron hareketliliği.(1000 cm2·V−1·S−1 oda sıcaklığında), verimli MOSFET'leri sağlayan 4H/6H-SiC'den üstündür.
• Olağanüstü ısı iletkenliği.(> 350 W/m·K) ve geniş bant aralığı (3.2 eV), yüksek sıcaklık (> 1000°C) ve radyasyona dirençli uygulamaları destekler.
• - Hayır.Geniş spektrumlu şeffaflık(UV'den orta IR'ye) ve kimyasal inertlik, optoelektronik ve sert çevre sensörleri için idealdir.

Uygulama alanı:

1. Güç Elektronikleri:Yüksek voltajlı/yüksek frekanslı MOSFET'ler, düşük arayüz tuzak yoğunluğundan yararlanır (örneğin, <5 × 1010 cm−2·eV−1) ve kapı sızmasını azaltır.
2. MEMS/NEMS:Silikon işleme ile uyumluluk nanoskalet cihazları (örneğin, rezonatorlar, aktüatörler) sağlar.
3. - Hayır.Optoelektronik:Yüksek dış kuantum verimliliğine sahip mavi LED'ler ve fotodetektorlar (> 60%).
4. Kuantum Teknolojileri:Kuantum devrelerinde süper iletken filmler için substrat (örneğin MgB2).

Şekil 1 3C-SiC kristal yapısı

III. Heteroepitaxial büyüme yöntemleri

3C-SiC heteroepitaxy için temel teknikler:

1. Kimyasal Buhar Depozisyonu (CVD)

• Süreç: SiH4/C2H4/H2 karışımları Si veya 4H-SiC substratlarında 1300~1500°C'de parçalanır.
• Adımlar: Gaz faz reaksiyonları → öncü emilim → yüzey göçü → nükleerleşme → büyüme.
• Avantajları: Sıcaklık (± 0.5 °C), basınç (50 ‰ 80 mbar) ve gaz oranları üzerinde yüksek kontrol edilebilirlik (C / Si = 0.9 ‰ 1.2).

- Hayır.

2Sublimasyon Epitaxy (SE)

• Kurulum: SiC tozu, 1900~2100°C'ye ısıtılan bir grafit havuzunda; SiC buharı daha soğuk bir substrat üzerinde yoğunlaşır.
• Avantajlar: Yüksek büyüme oranları (> 10 μm/h) ve atomik ölçekte yüzey düzleştirme.
• Sınırlamalar: Sabit Si/C oranları ve sınırlı süreç ayarlanabilirliği.

Şekil 2 CVD İlke Şeması

- Hayır.

3Moleküler ışın epitaksi (MBE).

• Koşullar: Ultra yüksek vakum (<10−10 mbar), 1200°C1350°C'de elektron ışını ile buharlaşmış Si/C ışınları.
• Uygulamalar: Kuantum cihazları için düşük kusurlu epilayers (< 103 cm−2).

- Hayır.

4- Hibrit yaklaşımlar.

• Buffer Katmanları: İyon eklenmiş arayüzleri olan 4H-SiC / 3C-SiC heterostructures, DPB'leri azaltır (yakınlığı <0.3 cm−2).
• HCl Doping: Eksiklikleri bastırırken büyüme hızlarını artırır (20 μm/h'ye kadar).

Şekil 3 SE yöntemi kullanılarak 3C-SiC epitaksyal büyüme şeması

IV. Zorluklar ve Gelecekteki Yöntemler

1. Kusur Kontrolü:

• Mekanizm: Çerez uyumsuzluğu (Δa / a ≈ 1.5%) ve termal genişleme anisotropisi DPB'leri ve yığma hatalarını tetikler.
• Çözümler: Gerginlik telafi edilmiş süper ızgaralar veya gradient doping.

2Ölçeklenebilirlik:

• Wafer Boyutu: Daha iyi termal tekdüzelik (< 1 ° C değişimi) yoluyla 4 inçten 8 inç altyapıya geçiş.

- Hayır.

3Cihaz Entegre:

• SiC/GaN Hibritleri: GaN-SiC HEMT'leri için yüksek hareketliliği (2000 cm2·V−1·S−1) ve ısı dağılımını birleştiren 3C-SiC tamponları.

4Karakterizasyon:

• In Situ Monitoring: Gerçek zamanlı hata izleme için Raman spektroskopisi.

V. Sonuç

3C-SiC heteroepitaxy, silikon ve geniş bant aralığı yarı iletkenler arasındaki performans boşluğunu kapatır.HCl destekli CVD) bir sonraki nesil güç elektroniği için ölçeklenebilir üretimi mümkün kılarGelecekteki çalışmalar, ultra yüksek frekans (> 100 GHz) ve kriyojenik uygulamaları açmak için atomik ölçekli hata mühendisliği ve hibrit heterostructures üzerine odaklanacak.

ZMSH Advanced Materials, yüksek performanslı güç elektroniği ve RF cihazları için uyarlanmış 3C-N tipi SiC substratları da dahil olmak üzere kapsamlı silikon karbid (SiC) çözümleri sunar. Özelleştirilebilir işlem hizmetlerimiz, EV invertörlerinde, 5G iletişiminde,ve endüstriyel sensörler.