تاريخ تطوير 3C SIC

كشكل مهمكربيد السيليكون، تاريخ تطور3C-SICيعكس التقدم المستمر لعلوم مواد أشباه الموصلات. في الثمانينات ، Nishino et al. حصلت لأول مرة على أفلام رقيقة 4UM 3C-SIC على ركائز السيليكون بواسطة ترسب البخار الكيميائي (CVD) [1] ، والتي وضعت الأساس لتكنولوجيا الأفلام الرقيقة 3C-SIC.

كانت فترة التسعينيات هي العصر الذهبي لأبحاث SiC. أطلقت شركة Cree Research Inc. رقائق 6H-SiC و4H-SiC في عامي 1991 و1994 على التوالي، لترويج تسويقأجهزة أشباه الموصلات SiC. وضع التقدم التكنولوجي خلال هذه الفترة الأساس للبحث وتطبيق 3C-SIC.

في أوائل القرن الحادي والعشرين ،الأغشية الرقيقة المصنوعة من السيليكون القائمة على السيليكونكما تم تطويره إلى حد ما. يي تشاين وآخرون. أعدت أفلام SIC الرقيقة المستندة إلى السيليكون بواسطة الأمراض القلبية الوعائية في ظل ظروف درجة الحرارة المنخفضة في عام 2002 [2]. في عام 2001 ، و Xia et al. أعدت أفلام SIC الرقيقة المستندة إلى السيليكون بواسطة Magnetron التي تتلاشى في درجة حرارة الغرفة [3].

ومع ذلك، نظرًا للاختلاف الكبير بين ثابت الشبكة لـ Si وSiC (حوالي 20٪)، فإن كثافة الخلل في الطبقة الفوقية 3C-SiC مرتفعة نسبيًا، خاصة العيب المزدوج مثل DPB. من أجل تقليل عدم تطابق الشبكة، يستخدم الباحثون 6H-SiC أو 15R-SiC أو 4H-SiC على السطح (0001) كركيزة لتنمية الطبقة الفوقية 3C-SiC وتقليل كثافة الخلل. على سبيل المثال، في عام 2012، سيكي، كازواكي وآخرون. اقترح تقنية التحكم الديناميكي متعدد الأشكال، والتي تحقق النمو الانتقائي متعدد الأشكال لـ 3C-SiC و6H-SiC على البذور السطحية 6H-SiC (0001) من خلال التحكم في التشبع الفائق [4-5]. في عام 2023، استخدم باحثون مثل Xun Li طريقة CVD لتحسين النمو والعملية، ونجحوا في الحصول على 3C-SiC السلسالطبقة الفوقيةمع عدم وجود عيوب DPB على السطح على ركيزة 4H-SiC بمعدل نمو 14 ميكرومتر / ساعة [6].

هيكل بلوري وحقول التطبيق من 3c sic

من بين العديد من أنواع SICD ، 3C-SIC هي polytype المكعبة الوحيدة ، والمعروفة أيضًا باسم β-SIC. في هذا الهيكل البلوري ، توجد ذرات Si و C في نسبة واحدة إلى واحد في الشبكة ، وكل ذرة محاطة بأربع ذرات غير متجانسة ، وتشكل وحدة هيكلية رباعي السطوح مع روابط تساهمية قوية. السمة الهيكلية لـ 3C-SIC هي أن الطبقات الدياتوم Si-C مرتبة مرارًا وتكرارًا بترتيب ABC-ABC- ... ، وكل خلية وحدة تحتوي على ثلاث طبقات من هذا القبيل ، والتي تسمى تمثيل C3 ؛ يظهر التركيب البلوري لـ 3C-SIC في الشكل أدناه:

الشكل 1: التركيب البلوري لـ 3C-SiC

حاليًا، يعد السيليكون (Si) هو مادة أشباه الموصلات الأكثر استخدامًا لأجهزة الطاقة. ومع ذلك، نظرًا لأداء Si، فإن أجهزة الطاقة المعتمدة على السيليكون محدودة. بالمقارنة مع 4H-SiC و6H-SiC، يتمتع 3C-SiC بأعلى حركة إلكترونية نظرية في درجة حرارة الغرفة (1000 سم·V-1·S-1)، وله مزايا أكثر في تطبيقات أجهزة MOS. في الوقت نفسه، يتمتع 3C-SiC أيضًا بخصائص ممتازة مثل جهد الانهيار العالي، والتوصيل الحراري الجيد، والصلابة العالية، وفجوة النطاق الواسعة، ومقاومة درجات الحرارة العالية، ومقاومة الإشعاع. لذلك، لديها إمكانات كبيرة في مجال الإلكترونيات والإلكترونيات الضوئية وأجهزة الاستشعار والتطبيقات في ظل الظروف القاسية، مما يعزز تطوير وابتكار التقنيات ذات الصلة، ويظهر إمكانات تطبيق واسعة في العديد من المجالات:

أولاً: خاصة في بيئات الجهد العالي والتردد العالي ودرجات الحرارة المرتفعة، فإن جهد الانهيار العالي وحركة الإلكترون العالية لـ 3C-SiC يجعلها خيارًا مثاليًا لتصنيع أجهزة الطاقة مثل MOSFET [7]. ثانيًا: يستفيد تطبيق 3C-SiC في الإلكترونيات النانوية والأنظمة الكهروميكانيكية الدقيقة (MEMS) من توافقه مع تكنولوجيا السيليكون، مما يسمح بتصنيع هياكل نانوية مثل الإلكترونيات النانوية والأجهزة الكهروميكانيكية النانوية [8]. ثالثًا: باعتبارها مادة شبه موصلة ذات فجوة نطاق واسعة، فإن 3C-SiC مناسبة لتصنيعهاالثنائيات الباعثة للضوء الأزرق(LEDS). اجتذب تطبيقها في الإضاءة وتكنولوجيا العرض والليزر الانتباه بسبب كفاءتها المضيئة العالية وسهولة المنشطات [9]. رابعًا: في الوقت نفسه ، يتم استخدام 3C-SIC لتصنيع كاشفات حساسة للموضع ، وخاصة الكشف عن حساسية موقع نقطة الليزر بناءً على التأثير الكهروضوئي الجانبي ، والذي يظهر حساسية عالية في ظل ظروف التحيز الصفرية وهي مناسبة لتحديد المواقع الدقيقة [10] .

3. طريقة تحضير 3C SiC heteroepitaxy

تشمل طرق النمو الرئيسية لـ 3C-SiC heteroepitaxyترسيب البخار الكيميائي (CVD), epitaxy التسامي (SE), تنضيد الطور السائل (LPE)، ، حزمة الحزمة الجزيئية epitaxy (MBE) ، التخفيف من المغناطيسي ، إلخ طبقة شراعية).

ترسب البخار الكيميائي (CVD): يتم تمرير غاز مركب يحتوي على عناصر Si و C في غرفة التفاعل ، وتسخينه ويتحلل عند درجة حرارة عالية ، ثم يتم ترسيب ذرات Si وذرات C على الركيزة Si ، أو 6h-sic ، 15r- SIC ، الركيزة 4H-SIC [11]. عادة ما تكون درجة حرارة هذا التفاعل بين 1300-1500 ℃. تشمل مصادر SI الشائعة SIH4 و TCS و MTS وما إلى ذلك ، وتشمل مصادر C بشكل أساسي C2H4 و C3H8 ، وما إلى ذلك ، مع H2 كغاز الناقل. تتضمن عملية النمو بشكل أساسي الخطوات التالية: 1. يتم نقل مصدر تفاعل طور الغاز إلى منطقة الترسب في تدفق الغاز الرئيسي. 2. يحدث تفاعل طور الغاز في الطبقة الحدودية لإنشاء سلائف أفلام رقيقة ومنتجات ثانوية. 3. هطول الأمطار ، الامتزاز وعملية التكسير للسلائف. 4. ترحيل الذرات الممتصة وإعادة بناء على سطح الركيزة. 5. الذرات الممتدة النواة وتنمو على سطح الركيزة. 6. النقل الجماعي لغاز النفايات بعد التفاعل في منطقة تدفق الغاز الرئيسية ويخرج من غرفة التفاعل. الشكل 2 هو مخطط تخطيطي من الأمراض القلبية الوعائية [12].

الشكل 2 الشكل التخطيطي من CVD

طريقة تسامي Epitaxy (SE): الشكل 3 هو مخطط بنية تجريبية لطريقة SE لإعداد 3C-SIC. الخطوات الرئيسية هي التحلل والتسامي لمصدر SIC في منطقة درجة الحرارة العالية ، ونقل السمو ، وتفاعل وبلورة السامي على سطح الركيزة عند درجة حرارة أقل. التفاصيل كما يلي: يتم وضع الركيزة 6H-SIC أو 4H-SIC في الجزء العلوي من البوتقة ، ومسحوق SiC عالي النقاءيتم استخدامه كمواد خام SiC ويتم وضعه في الجزء السفلي منبوتقة الجرافيت. يتم تسخين البوتقة إلى 1900-2100 ℃ عن طريق تحريض التردد الراديوي ، ويتم التحكم في درجة حرارة الركيزة لتكون أقل من مصدر SIC ، مما يشكل درجة حرارة محورية داخل البوتقة ، بحيث يمكن لمواد SIC الممتدة أن تكثف وتتبلور على الركيزة لتشكيل 3C-SIC غير متجانسة.

تتمثل مزايا النضوج التسامي بشكل أساسي في جانبين: 1. درجة حرارة النضوج مرتفعة، مما يمكن أن يقلل من العيوب البلورية؛ 2. يمكن حفره للحصول على سطح محفور على المستوى الذري. ومع ذلك، أثناء عملية النمو، لا يمكن تعديل مصدر التفاعل، ولا يمكن تغيير نسبة السيليكون إلى الكربون، والوقت، وتسلسلات التفاعل المختلفة، وما إلى ذلك، مما يؤدي إلى انخفاض في إمكانية التحكم في عملية النمو.

الشكل 3 الشكل المخطط التخطيطي لطريقة SE لزراعة 3C-SIC Epitaxy

تعتبر Tepitaxy Molecular Beam (MBE) تقنية نمو رقيقة متطورة ، وهي مناسبة لزراعة الطبقات الفوقية 3C-SIC على ركائز 4H-SIC أو 6H SIC. المبدأ الأساسي لهذه الطريقة هو: في بيئة فراغ عالية للغاية ، من خلال التحكم الدقيق في الغاز المصدر ، يتم تسخين عناصر الطبقة الفوقية المتنامية لتشكيل شعاع ذري أو شعاع جزيئي وحادث على سطح الركيزة الساخنة لصالح النمو الفوقي. الظروف المشتركة لزراعة 3C-SICالطبقات الفوقيةعلى ركائز 4H-SiC أو 6H-SiC هي: في ظل ظروف غنية بالسيليكون، يتم تحفيز مصادر الجرافين والكربون النقي إلى مواد غازية باستخدام مسدس إلكترون، ويتم استخدام 1200-1350 درجة مئوية كدرجة حرارة التفاعل. يمكن الحصول على نمو غير متجانس 3C-SiC بمعدل نمو قدره 0.01-0.1 نانومتر-1 [13].

الخلاصة والتوقع

من خلال التقدم التكنولوجي المستمر والأبحاث المتعمقة ، من المتوقع أن تلعب التكنولوجيا غير المتجانسة 3C-SIC دورًا أكثر أهمية في صناعة أشباه الموصلات وتعزيز تطوير الأجهزة الإلكترونية عالية الكفاءة. على سبيل المثال ، الاستمرار في استكشاف تقنيات واستراتيجيات النمو الجديدة ، مثل إدخال جو حمض الهيدروكلوريك لزيادة معدل النمو مع الحفاظ على كثافة العيوب المنخفضة ، هو اتجاه البحث المستقبلي ؛ البحوث المتعمقة حول آلية تكوين العيوب ، وتطوير تقنيات التوصيف الأكثر تطوراً ، مثل التلألؤ الضوئي وتحليل اللمعان الكاثودون ، لتحقيق أكثر دقة للتحكم في العيوب وتحسين خصائص المواد ؛ يعد النمو السريع للفيلم السميك عالي الجودة 3C-SIC هو مفتاح تلبية احتياجات الأجهزة عالية الجهد ، وهناك حاجة إلى مزيد من البحث للتغلب على التوازن بين معدل النمو وتوحيد المواد ؛ إلى جانب تطبيق 3C-SIC في الهياكل غير المتجانسة مثل SIC/GAN ، استكشف تطبيقاتها المحتملة في أجهزة جديدة مثل إلكترونيات الطاقة ، والتكامل الإلكتروني ومعالجة المعلومات الكمومية.

مراجع:

[1] نيشينو إس، هازوكي واي، ماتسوامي إتش، وآخرون. ترسيب البخار الكيميائي لأفلام β-SiC البلورية المفردة على ركيزة السيليكون مع طبقة متوسطة من SiC المرقطة [J]. مجلة الجمعية الكهروكيميائية، 1980، 127(12):2674-2680.

[2] يي زيزين، وانغ يادونغ، هوانغ جينغيون، وآخرون. بحث حول النمو في درجات الحرارة المنخفضة للأغشية الرقيقة من كربيد السيليكون [J]. مجلة علوم وتكنولوجيا الفراغ، 2002، 022(001):58-60 .

[3] An Xia, Zhuang Huizhao, Li Huaixiang, et al. تحضير أغشية رقيقة من كربيد النانو بواسطة رش المغنطرون على ركيزة Si (111) [J]. مجلة جامعة شاندونغ العادية: إصدار العلوم الطبيعية، 2001: 382-384 ..

[4] سيكي ك ، ألكساندر ، كوزاوا إس ، وآخرون. النمو الانتقائي polytype من SIC عن طريق التحكم في النمو في نمو الحلول [J]. Journal of Crystal Growth ، 2012 ، 360: 176-180.

[5] تشين ياو، تشاو فوكيانغ، تشو بينج شيان، هي شواي نظرة عامة على تطوير أجهزة طاقة كربيد السيليكون في الداخل والخارج [J].

[6] Li X ، Wang G .CVD نمو طبقات 3C-SIC على ركائز 4H-SIC مع مورفولوجيا محسّنة [J].

[7] هوى كايوين بحث عن الركيزة المنقوشة Si وتطبيقها في نمو 3C-SiC [D]، جامعة شيان للتكنولوجيا، 2018.

[8] لارس، هيلر، توماس، وآخرون. تأثيرات الهيدروجين في نقش ECR لهياكل ميسا 3C-SiC(100) [J]. منتدى علوم المواد، 2014.

[9] شو تشينغ فانغ. تحضير الأغشية الرقيقة 3C-SiC بواسطة ترسيب البخار الكيميائي بالليزر [D]، جامعة ووهان للتكنولوجيا، 2016.

[10] Foisal ARM , Nguyen T , Dinh T K ,et al.3C-SiC/Si Heterostructure: منصة ممتازة للكاشفات الحساسة للموضع بناءً على التأثير الكهروضوئي[J].ACS Applied Materials & Interfaces, 2019: 40980-40987.

[11] شين بن. النمو الفوقي المحوري 3C/4H-SiC بناءً على عملية الأمراض القلبية الوعائية: توصيف الخلل وتطوره [D].

[12] Dong Lin.

[13] دياني إم، سيمون إل، كوبلر إل، وآخرون. نمو بلوري للأنواع المتعددة 3C-SiC على الركيزة 6H-SiC(0001) [J]. مجلة النمو البلوري، 2002، 235(1):95-102.