هتروپیتاکسی 3C-SiC: یک مرور کلی

1. توسعه تاریخی 3C-SiC

توسعه 3C-SiC، یک نوع قابل توجه از کاربید سیلیکون، نشان دهنده پیشرفت مداوم علم مواد نیمه هادی است. در دهه 1980، نیشینو و همکاران. برای اولین بار با استفاده از رسوب شیمیایی بخار (CVD) [1]، یک فیلم 3C-SiC با ضخامت 4 میکرومتر بر روی یک بستر سیلیکونی به دست آورد که پایه و اساس فناوری لایه نازک 3C-SiC را گذاشت.

دهه 1990 عصر طلایی برای تحقیقات SiC بود. راه اندازی تراشه های 6H-SiC و 4H-SiC توسط Cree Research در سال های 1991 و 1994، به تجاری سازی دستگاه های نیمه هادی SiC منجر شد. این پیشرفت تکنولوژی زمینه را برای تحقیقات و کاربردهای بعدی 3C-SiC فراهم کرد.

در اوایل قرن بیست و یکم، فیلم‌های SiC مبتنی بر سیلیکون نیز پیشرفت چشمگیری در چین داشتند. یه ژیژن و همکاران در سال 2002، فیلم‌های SiC را روی بسترهای سیلیکونی با استفاده از CVD در دماهای پایین ساختند [2]، در حالی که An Xia و همکاران. نتایج مشابهی را با استفاده از کندوپاش مگنترون در دمای اتاق در سال 2001 به دست آورد [3].

با این حال، عدم تطابق شبکه بزرگ بین Si و SiC (تقریباً 20٪) منجر به چگالی نقص بالایی در لایه همپایی 3C-SiC، به ویژه مرزهای موقعیت دوگانه (DPBs) شد. برای کاهش این موضوع، محققان بسترهایی مانند 6H-SiC، 15R-SiC، یا 4H-SiC با جهت (0001) را برای رشد لایه های همپایه 3C-SiC انتخاب کردند و در نتیجه تراکم نقص را کاهش دادند. به عنوان مثال، در سال 2012، Seki، Kazuaki و همکاران. یک روش کنترل پلی مورفیسم جنبشی را پیشنهاد کرد که با کنترل فوق اشباع، رشد انتخابی 3C-SiC و 6H-SiC را روی دانه های 6H-SiC(0001) به دست آورد [4-5]. در سال 2023، ژون لی و همکاران. با استفاده از رشد بهینه CVD با سرعت 14 میکرومتر در ساعت [6]، با موفقیت لایه های همپای صاف 3C-SiC بدون DPBs روی بسترهای 4H-SiC به دست آمد.

2. ساختار کریستالی و کاربردهای 3C-SiC

در میان پلی‌تیپ‌های متعدد SiC، 3C-SiC که به β-SiC نیز معروف است، تنها پلی‌تیپ مکعبی است. در این ساختار بلوری، اتم های سی و سی به نسبت یک به یک وجود دارند و یک سلول واحد چهار وجهی با پیوندهای کووالانسی قوی را تشکیل می دهند. این ساختار با دولایه‌های Si-C که در یک دنباله ABC-ABC-… مرتب شده‌اند، مشخص می‌شود که هر سلول واحد شامل سه لایه دوگانه است که با علامت C3 نشان داده می‌شوند. شکل 1 ساختار کریستالی 3C-SiC را نشان می دهد.

                                                                                                                                                                           شکل 1. ساختار کریستالی 3C-SiC

در حال حاضر، سیلیکون (Si) پرکاربردترین ماده نیمه هادی برای دستگاه های قدرت است. با این حال، محدودیت های ذاتی آن عملکرد آن را محدود می کند. در مقایسه با 4H-SiC و 6H-SiC، 3C-SiC دارای بالاترین تحرک نظری الکترون در دمای اتاق (1000 cm2·V-1·s-1) است که آن را برای کاربردهای MOSFET سودمندتر می کند. علاوه بر این، ولتاژ شکست بالا، هدایت حرارتی عالی، سختی بالا، فاصله باند گسترده، مقاومت در برابر دمای بالا و مقاومت در برابر تشعشع، 3C-SiC را برای کاربردهای الکترونیک، اپتوالکترونیک، سنسورها و محیط‌های شدید بسیار امیدوارکننده می‌سازد:

کاربردهای پرقدرت، فرکانس بالا و دمای بالا: ولتاژ شکست بالا و تحرک بالای الکترون 3C-SiC، آن را برای تولید دستگاه‌های قدرتی مانند ماسفت‌ها، به‌ویژه در محیط‌های سخت، ایده‌آل می‌سازد[7].

سیستم های نانوالکترونیک و میکروالکترومکانیکی (MEMS): سازگاری آن با فناوری سیلیکون امکان ساخت ساختارهای نانومقیاس را فراهم می کند و کاربردهایی را در نانوالکترونیک و دستگاه های MEMS ممکن می سازد[8].

اپتوالکترونیک:3C-SiC به عنوان یک ماده نیمه هادی با شکاف گسترده، برای دیودهای ساطع نور آبی (LED) مناسب است. راندمان نوری بالا و سهولت دوپینگ آن را برای کاربردهای نورپردازی، فناوری های نمایشگر و لیزر جذاب می کند[9].

حسگرها:3C-SiC در آشکارسازهای حساس به موقعیت، به ویژه آشکارسازهای لیزری حساس به موقعیت نقطه ای بر اساس اثر فتوولتائیک جانبی استفاده می شود. این آشکارسازها در شرایط بایاس صفر حساسیت بالایی از خود نشان می‌دهند که آنها را برای کاربردهای موقعیت‌یابی دقیق مناسب می‌سازد[10].

3. روش های آماده سازی برای هترواپیتاکسی 3C-SiC

روش‌های رایج برای هترواپیتاکسی 3C-SiC شامل رسوب شیمیایی بخار (CVD)، اپیتاکسی تصعید (SE)، اپیتاکسی فاز مایع (LPE)، اپیتاکسی پرتو مولکولی (MBE) و کندوپاش مگنترون است. CVD به دلیل کنترل پذیری و سازگاری آن از نظر دما، جریان گاز، فشار محفظه و زمان واکنش، روش ارجح برای اپیتاکسی 3C-SiC است که امکان بهینه سازی کیفیت لایه همپایی را فراهم می کند.

رسوب بخار شیمیایی (CVD):ترکیبات گازی حاوی Si و C به محفظه واکنش وارد شده و تا دمای بالا گرم می شوند و منجر به تجزیه آنها می شود. سپس اتم‌های Si و C روی یک بستر، معمولاً Si، 6H-SiC، 15R-SiC یا 4H-SiC رسوب می‌کنند [11]. این واکنش معمولاً بین 1300-1500 درجه سانتیگراد رخ می دهد. منابع متداول Si شامل SiH4، TCS و MTS هستند، در حالی که منابع C در درجه اول C2H4 و C3H8 هستند، با H2 به عنوان گاز حامل. شکل 2 شماتیکی از فرآیند CVD را نشان می دهد[12].

                                                                                                                                                               شکل 2. شماتیک فرآیند CVD

تصعید اپیتاکسی (SE):در این روش، یک بستر 6H-SiC یا 4H-SiC در بالای یک بوته قرار می گیرد که پودر SiC با خلوص بالا به عنوان ماده منبع در پایین آن قرار می گیرد. بوته از طریق القای فرکانس رادیویی تا دمای 1900-2100 درجه سانتیگراد گرم می شود و دمای بستر کمتر از دمای منبع برای ایجاد یک گرادیان درجه حرارت محوری حفظ می شود. این به SiC تصعید شده اجازه می دهد تا متراکم شده و بر روی بستر متبلور شود و هترواپیتاکسی 3C-SiC را تشکیل دهد.

اپیتاکسی پرتو مولکولی (MBE):این تکنیک رشد لایه نازک پیشرفته برای رشد لایه های همپایه 3C-SiC بر روی بسترهای 4H-SiC یا 6H-SiC مناسب است. تحت خلاء فوق العاده بالا، کنترل دقیق گازهای منبع امکان تشکیل پرتوهای اتمی یا مولکولی جهت دار عناصر تشکیل دهنده را فراهم می کند. این پرتوها برای رشد اپیتاکسیال به سمت سطح زیرلایه گرم شده هدایت می شوند.

4. نتیجه گیری و چشم انداز

با پیشرفت‌های مداوم تکنولوژیکی و مطالعات مکانیکی عمیق، هترواپیتاکسی 3C-SiC آماده است تا نقش حیاتی فزاینده‌ای در صنعت نیمه‌رساناها ایفا کند و توسعه دستگاه‌های الکترونیکی با انرژی کارآمد را هدایت کند. کاوش در تکنیک‌های رشد جدید، مانند معرفی اتمسفر هیدروکلراید برای افزایش نرخ رشد و در عین حال حفظ تراکم نقص کم، یک راه امیدوارکننده برای تحقیقات آینده است. بررسی بیشتر در مورد مکانیسم‌های تشکیل نقص و توسعه تکنیک‌های شناسایی پیشرفته، کنترل دقیق نقص و خواص بهینه مواد را امکان‌پذیر می‌سازد. رشد سریع فیلم‌های با کیفیت بالا و ضخیم 3C-SiC برای برآورده کردن نیازهای دستگاه‌های ولتاژ بالا بسیار مهم است و به تحقیقات بیشتری برای رسیدگی به تعادل بین نرخ رشد و یکنواختی مواد نیاز دارد. با استفاده از کاربردهای 3C-SiC در ساختارهای ناهمسان مانند SiC/GaN، پتانسیل آن در دستگاه های جدید مانند الکترونیک قدرت، ادغام نوری الکترونیکی و پردازش اطلاعات کوانتومی را می توان به طور کامل کشف کرد.

مراجع:

[1] Nishino S، Hazuki Y، Matsunami H، و همکاران. رسوب شیمیایی بخار فیلم های تک کریستالی β-SiC روی بستر سیلیکونی با لایه میانی SiC پاشیده شده [J]. مجله انجمن الکتروشیمیایی، 1980، 127 (12): 2674-2680.

[2] Ye Zhizhen, Wang Yadong, Huang Jingyun, et al. تحقیق در مورد رشد لایه های نازک مبتنی بر سیلیکون کاربید [J] مجله علم و فناوری خلاء، 2002، 022(001): .

[3] An Xia, Zhuang Huizhao, Li Huaixiang, et al. آماده سازی لایه های نازک نانو SiC با کندوپاش مگنترون بر روی (111) بستر Si [J] مجله علمی شاندونگ، 2001: 382-384 ..

[4] سکی ک، الکساندر، کوزاوا اس، و همکاران. رشد انتخابی چند نوع SiC با کنترل فوق اشباع در رشد محلول [J]. مجله رشد کریستال، 1391، 360:176-180.

[5] Chen Yao، Zhao Fuqiang، Zhu Bingxian، He Shuai مروری بر توسعه دستگاه‌های قدرت کاربید سیلیکون در داخل و خارج از کشور [J]، 2020: 49-54.

[6] Li X، Wang G. رشد CVD لایه‌های 3C-SiC روی بسترهای 4H-SiC با مورفولوژی بهبود یافته [J]. ارتباطات حالت جامد، 2023:371.

[7] تحقیقات Hou Kaiwen روی بستر الگوی Si و کاربرد آن در رشد 3C-SiC [D].

[8] لارس، هیلر، توماس، و همکاران. اثرات هیدروژن در ECR-Etching ساختارهای 3C-SiC(100) Mesa[J]. انجمن علوم مواد، 2014.

[9] Xu Qingfang آماده سازی لایه های نازک 3C-SiC با رسوب شیمیایی بخار [D].

[10] Foisal A R M, Nguyen T, Dinh T K, et al.3C-SiC/Si Heterostructure: یک پلت فرم عالی برای آشکارسازهای حساس به موقعیت بر اساس اثر فتوولتائیک [J]. مواد و رابط های کاربردی ACS، 2019: 40987.

[11] رشد هترواپیتاکسی 3C/4H-SiC: شناسایی نقص و تکامل [D].

[12] فناوری رشد همپایه چند ویفری بزرگ و خصوصیات فیزیکی کاربید سیلیکون [D]، 2014.

[13] Diani M، Simon L، Kubler L، و همکاران. رشد کریستالی پلی‌تیپ 3C-SiC روی بستر 6H-SiC(0001) [J]. مجله رشد کریستال، 2002، 235 (1): 95-102.