ประวัติการพัฒนา 3C SiC

เป็นรูปแบบที่สำคัญของซิลิคอนคาร์ไบด์, ประวัติการพัฒนาของ3C-ศรีCสะท้อนให้เห็นถึงความก้าวหน้าอย่างต่อเนื่องของวัสดุศาสตร์เซมิคอนดักเตอร์ ในช่วงทศวรรษ 1980 นิชิโนะ และคณะ ครั้งแรกได้รับฟิล์มบาง 3C-SiC ขนาด 4um บนพื้นผิวซิลิกอนโดยการสะสมไอสารเคมี (CVD) [1] ซึ่งวางรากฐานสำหรับเทคโนโลยีฟิล์มบาง 3C-SiC

ทศวรรษ 1990 เป็นยุคทองของการวิจัย SiC Cree Research Inc. เปิดตัวชิป 6H-SiC และ 4H-SiC ในปี 1991 และ 1994 ตามลำดับ เพื่อส่งเสริมการจำหน่ายชิป 6H-SiC ในเชิงพาณิชย์อุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์ SiC- ความก้าวหน้าทางเทคโนโลยีในช่วงเวลานี้เป็นการวางรากฐานสำหรับการวิจัยและการประยุกต์ใช้ 3C-SiC ในภายหลัง

ในช่วงต้นศตวรรษที่ 21ฟิล์มบาง SiC ที่ใช้ซิลิคอนในประเทศก็มีการพัฒนาไปในระดับหนึ่งเช่นกัน เย่ จือเจิ้น และคณะ เตรียมฟิล์มบาง SiC ที่ใช้ซิลิคอนโดย CVD ภายใต้สภาวะอุณหภูมิต่ำในปี 2545 [2] ในปี 2544 อันเซี่ย และคณะ เตรียมฟิล์มบาง SiC ที่ใช้ซิลิคอนโดยแมกนีตรอนสปัตเตอร์ที่อุณหภูมิห้อง [3]

อย่างไรก็ตาม เนื่องจากความแตกต่างอย่างมากระหว่างค่าคงที่โครงตาข่ายของ Si และ SiC (ประมาณ 20%) ความหนาแน่นของข้อบกพร่องของชั้น epitaxis 3C-SiC จึงค่อนข้างสูง โดยเฉพาะอย่างยิ่งข้อบกพร่องแฝด เช่น DPB เพื่อลดความไม่ตรงกันของแลตติซ นักวิจัยจึงใช้ 6H-SiC, 15R-SiC หรือ 4H-SiC บนพื้นผิว (0001) เป็นสารตั้งต้นในการขยายชั้นอีปิแอกเชียล 3C-SiC และลดความหนาแน่นของข้อบกพร่อง ตัวอย่างเช่น ในปี 2012 Seki, Kazuaki และคณะ เสนอเทคโนโลยีการควบคุม epitaxy แบบโพลีมอร์ฟิกแบบไดนามิก ซึ่งตระหนักถึงการเจริญเติบโตแบบเลือกโพลีมอร์ฟิกของ 3C-SiC และ 6H-SiC บนเมล็ดพื้นผิว 6H-SiC (0001) โดยการควบคุมความอิ่มตัวยิ่งยวด [4-5] ในปี 2023 นักวิจัย เช่น Xun Li ใช้วิธีการ CVD เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพการเติบโตและกระบวนการ และได้รับ 3C-SiC ที่ราบรื่นสำเร็จชั้นเยื่อบุผิวโดยไม่มีข้อบกพร่อง DPB บนพื้นผิวบนพื้นผิว 4H-SiC ที่อัตราการเติบโต 14um/h[6]

โครงสร้างผลึกและขอบเขตการใช้งานของ 3C SiC

ในบรรดาโพลีไทป์ SiCD หลายชนิด 3C-SiC เป็นโพลีไทป์ลูกบาศก์เพียงชนิดเดียวหรือที่เรียกว่า β-SiC ในโครงสร้างผลึกนี้ อะตอม Si และ C มีอยู่อัตราส่วนหนึ่งต่อหนึ่งในตาข่าย และแต่ละอะตอมถูกล้อมรอบด้วยอะตอมที่ต่างกันสี่อะตอม ก่อตัวเป็นหน่วยโครงสร้างจัตุรมุขที่มีพันธะโควาเลนต์ที่แข็งแกร่ง คุณลักษณะเชิงโครงสร้างของ 3C-SiC คือชั้นไดอะตอมมิก Si-C ถูกจัดเรียงซ้ำๆ ตามลำดับ ABC-ABC-… และแต่ละหน่วยเซลล์ประกอบด้วยชั้นไดอะตอมมิกดังกล่าวสามชั้น ซึ่งเรียกว่าการแทนค่า C3 โครงสร้างผลึกของ 3C-SiC แสดงในรูปด้านล่าง:

รูปที่ 1 โครงสร้างผลึกของ 3C-SiC

ปัจจุบันซิลิคอน (Si) เป็นวัสดุเซมิคอนดักเตอร์ที่ใช้กันมากที่สุดสำหรับอุปกรณ์ไฟฟ้า อย่างไรก็ตาม เนื่องจากประสิทธิภาพของ Si อุปกรณ์ไฟฟ้าที่ใช้ซิลิคอนจึงมีจำกัด เมื่อเปรียบเทียบกับ 4H-SiC และ 6H-SiC แล้ว 3C-SiC มีการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนตามทฤษฎีที่อุณหภูมิห้องสูงที่สุด (1000 cm·V-1·S-1) และมีข้อได้เปรียบในการใช้งานอุปกรณ์ MOS มากกว่า ในเวลาเดียวกัน 3C-SiC ยังมีคุณสมบัติที่ยอดเยี่ยม เช่น แรงดันพังทลายสูง การนำความร้อนที่ดี ความแข็งสูง แถบความถี่กว้าง ทนต่ออุณหภูมิสูง และต้านทานรังสี ดังนั้นจึงมีศักยภาพที่ยอดเยี่ยมในด้านอิเล็กทรอนิกส์ ออปโตอิเล็กทรอนิกส์ เซ็นเซอร์ และการใช้งานภายใต้สภาวะที่รุนแรง ส่งเสริมการพัฒนาและนวัตกรรมของเทคโนโลยีที่เกี่ยวข้อง และแสดงศักยภาพในการใช้งานในวงกว้างในหลายสาขา:

ประการแรก: โดยเฉพาะอย่างยิ่งในสภาพแวดล้อมไฟฟ้าแรงสูง ความถี่สูง และอุณหภูมิสูง แรงดันพังทลายสูงและความคล่องตัวของอิเล็กตรอนสูงของ 3C-SiC ทำให้ผลิตภัณฑ์นี้เป็นตัวเลือกที่เหมาะสำหรับการผลิตอุปกรณ์กำลัง เช่น MOSFET [7] ประการที่สอง: การใช้ 3C-SiC ในระบบนาโนอิเล็กทรอนิกส์และระบบเครื่องกลไฟฟ้าขนาดเล็ก (MEMS) ได้รับประโยชน์จากความเข้ากันได้กับเทคโนโลยีซิลิคอน ทำให้สามารถผลิตโครงสร้างระดับนาโน เช่น นาโนอิเล็กทรอนิกส์และอุปกรณ์นาโนไฟฟ้าเครื่องกล [8] ประการที่สาม: เนื่องจากเป็นวัสดุเซมิคอนดักเตอร์ที่มีแถบความถี่กว้าง 3C-SiC จึงเหมาะสำหรับการผลิตไดโอดเปล่งแสงสีน้ำเงิน(ไฟ LED) การประยุกต์ใช้ในด้านแสง เทคโนโลยีการแสดงผล และเลเซอร์ดึงดูดความสนใจเนื่องจากประสิทธิภาพการส่องสว่างสูงและการเติมสารที่ง่ายดาย [9] ประการที่สี่: ในเวลาเดียวกัน 3C-SiC ใช้ในการผลิตเครื่องตรวจจับที่ไวต่อตำแหน่ง โดยเฉพาะเครื่องตรวจจับที่ไวต่อตำแหน่งด้วยเลเซอร์โดยอาศัยเอฟเฟกต์ไฟฟ้าโซลาร์เซลล์ด้านข้าง ซึ่งแสดงความไวสูงภายใต้สภาวะอคติเป็นศูนย์ และเหมาะสำหรับการวางตำแหน่งที่แม่นยำ [10] .

3. วิธีการเตรียม 3C SiC heteroepitaxy

วิธีการเจริญเติบโตหลักของ 3C-SiC heteroepitaxy ได้แก่การสะสมไอสารเคมี (CVD), เยื่อบุผิวระเหิด (SE), Epitaxy เฟสของเหลว (LPE), การ epitaxy ลำแสงโมเลกุล (MBE), การสปัตเตอร์แมกนีตรอน ฯลฯ CVD เป็นวิธีที่นิยมใช้สำหรับ epitaxy 3C-SiC เนื่องจากความสามารถในการควบคุมและการปรับตัว (เช่น อุณหภูมิ การไหลของก๊าซ ความดันห้องเพาะเลี้ยง และเวลาปฏิกิริยา ซึ่งสามารถปรับคุณภาพของ ชั้นเยื่อบุผิว)

การสะสมไอสารเคมี (CVD): ก๊าซผสมที่มีธาตุ Si และ C จะถูกส่งผ่านเข้าไปในห้องปฏิกิริยา จากนั้นให้ความร้อนและสลายตัวที่อุณหภูมิสูง จากนั้นอะตอมของ Si และอะตอมของ C จะถูกตกตะกอนลงบนสารตั้งต้น Si หรือ 6H-SiC, 15R- ซับสเตรต SiC, 4H-SiC [11] อุณหภูมิของปฏิกิริยานี้มักจะอยู่ระหว่าง 1300-1500℃ แหล่งที่มาของ Si ทั่วไป ได้แก่ SiH4, TCS, MTS ฯลฯ และแหล่งที่มาของ C ส่วนใหญ่ประกอบด้วย C2H4, C3H8 เป็นต้น โดยมี H2 เป็นก๊าซพาหะ กระบวนการเจริญเติบโตส่วนใหญ่ประกอบด้วยขั้นตอนต่อไปนี้: 1. แหล่งกำเนิดปฏิกิริยาของเฟสก๊าซจะถูกส่งไปยังโซนสะสมในการไหลของก๊าซหลัก 2. ปฏิกิริยาเฟสของก๊าซเกิดขึ้นในชั้นขอบเขตเพื่อสร้างสารตั้งต้นของฟิล์มบางและผลพลอยได้ 3. กระบวนการตกตะกอน การดูดซับ และการแตกร้าวของสารตั้งต้น 4. อะตอมที่ถูกดูดซับจะย้ายและสร้างใหม่บนพื้นผิวของสารตั้งต้น 5. อะตอมที่ถูกดูดซับจะเกิดนิวเคลียสและเติบโตบนพื้นผิวของสารตั้งต้น 6. การเคลื่อนย้ายมวลของก๊าซเสียหลังจากปฏิกิริยาเข้าสู่โซนการไหลของก๊าซหลักและถูกนำออกจากห้องปฏิกิริยา รูปที่ 2 เป็นแผนผังของ CVD [12]

รูปที่ 2 แผนผังของ CVD

วิธี Sublimation Epitaxy (SE): รูปที่ 3 เป็นแผนภาพโครงสร้างการทดลองของวิธี SE สำหรับการเตรียม 3C-SiC ขั้นตอนหลักคือการสลายตัวและการระเหิดของแหล่งกำเนิด SiC ในเขตอุณหภูมิสูง การเคลื่อนย้ายสารระเหิด และปฏิกิริยาและการตกผลึกของสารระเหิดบนพื้นผิวซับสเตรตที่อุณหภูมิต่ำกว่า รายละเอียดมีดังนี้: วางซับสเตรต 6H-SiC หรือ 4H-SiC ไว้ที่ด้านบนของเบ้าหลอม และผง SiC ที่มีความบริสุทธิ์สูงใช้เป็นวัตถุดิบ SiC และวางไว้ที่ด้านล่างของเบ้าหลอมกราไฟท์- ถ้วยใส่ตัวอย่างได้รับความร้อนถึง 1900-2100°C โดยการเหนี่ยวนำความถี่วิทยุ และอุณหภูมิของสารตั้งต้นจะถูกควบคุมให้ต่ำกว่าแหล่งกำเนิด SiC ซึ่งก่อให้เกิดการไล่ระดับอุณหภูมิตามแกนภายในถ้วยใส่ตัวอย่าง เพื่อให้วัสดุ SiC ที่ระเหิดสามารถควบแน่นและตกผลึกบนพื้นผิวได้ เพื่อสร้าง 3C-SiC เฮเทอโรอีพิโทแอกเซียล

ข้อดีของ epitaxy แบบระเหิดส่วนใหญ่อยู่ในสองด้าน: 1. อุณหภูมิ epitaxy สูงซึ่งสามารถลดข้อบกพร่องของคริสตัลได้ 2. สามารถแกะสลักเพื่อให้ได้พื้นผิวที่แกะสลักในระดับอะตอม อย่างไรก็ตาม ในระหว่างกระบวนการเติบโต ไม่สามารถปรับเปลี่ยนแหล่งที่มาของปฏิกิริยาได้ และอัตราส่วนซิลิคอน-คาร์บอน เวลา ลำดับปฏิกิริยาต่างๆ ฯลฯ ไม่สามารถเปลี่ยนแปลงได้ ส่งผลให้การควบคุมกระบวนการเติบโตลดลง

รูปที่ 3 แผนผังของวิธี SE สำหรับการเจริญเติบโตของ epitaxy 3C-SiC

Molecular Beam Epitaxy (MBE) เป็นเทคโนโลยีการเจริญเติบโตของฟิล์มบางขั้นสูง ซึ่งเหมาะสำหรับการปลูกชั้นเอพิแทกเซียล 3C-SiC บนซับสเตรต 4H-SiC หรือ 6H-SiC หลักการพื้นฐานของวิธีนี้คือ: ในสภาพแวดล้อมสุญญากาศที่สูงเป็นพิเศษ โดยผ่านการควบคุมที่แม่นยำของก๊าซต้นทาง องค์ประกอบของชั้นเอปิเทกเซียลที่กำลังเติบโตจะถูกให้ความร้อนเพื่อสร้างลำแสงอะตอมที่มีทิศทางหรือลำแสงโมเลกุล และตกกระทบบนพื้นผิวของสารตั้งต้นที่ให้ความร้อนสำหรับ การเจริญเติบโตของเยื่อบุผิว เงื่อนไขทั่วไปสำหรับการปลูก 3C-SiCชั้นเยื่อบุผิวบนซับสเตรต 4H-SiC หรือ 6H-SiC คือ: ภายใต้สภาวะที่อุดมด้วยซิลิคอน กราฟีนและแหล่งคาร์บอนบริสุทธิ์จะถูกกระตุ้นเข้าไปในสารที่เป็นก๊าซด้วยปืนอิเล็กตรอน และใช้ 1200-1350°C เป็นอุณหภูมิปฏิกิริยา การเจริญเติบโตแบบเฮเทอโรเอปิแอกเซียล 3C-SiC สามารถหาได้ที่อัตราการเติบโต 0.01-0.1 นาโนเมตร-1 [13]

บทสรุปและโอกาส

ด้วยความก้าวหน้าทางเทคโนโลยีอย่างต่อเนื่องและการวิจัยกลไกเชิงลึก เทคโนโลยี 3C-SiC เฮเทอโรเอปิแอกเซียล คาดว่าจะมีบทบาทสำคัญในอุตสาหกรรมเซมิคอนดักเตอร์ และส่งเสริมการพัฒนาอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ประสิทธิภาพสูง ตัวอย่างเช่น การสำรวจเทคนิคและกลยุทธ์การเติบโตใหม่ๆ อย่างต่อเนื่อง เช่น การแนะนำบรรยากาศ HCl เพื่อเพิ่มอัตราการเติบโตโดยยังคงรักษาความหนาแน่นของข้อบกพร่องให้ต่ำ ถือเป็นทิศทางของการวิจัยในอนาคต การวิจัยเชิงลึกเกี่ยวกับกลไกการก่อตัวของข้อบกพร่อง และการพัฒนาเทคนิคการกำหนดคุณลักษณะขั้นสูง เช่น การวิเคราะห์โฟโตลูมิเนสเซนซ์และแคโทโดลูมิเนสเซนซ์ เพื่อให้บรรลุการควบคุมข้อบกพร่องที่แม่นยำยิ่งขึ้นและปรับคุณสมบัติของวัสดุให้เหมาะสม การเติบโตอย่างรวดเร็วของฟิล์มหนาคุณภาพสูง 3C-SiC เป็นกุญแจสำคัญในการตอบสนองความต้องการของอุปกรณ์ไฟฟ้าแรงสูง และจำเป็นต้องมีการวิจัยเพิ่มเติมเพื่อเอาชนะสมดุลระหว่างอัตราการเติบโตและความสม่ำเสมอของวัสดุ เมื่อรวมกับการประยุกต์ใช้ 3C-SiC ในโครงสร้างที่ต่างกัน เช่น SiC/GaN จะสำรวจการใช้งานที่เป็นไปได้ในอุปกรณ์ใหม่ๆ เช่น อิเล็กทรอนิกส์กำลัง การบูรณาการออปโตอิเล็กทรอนิกส์ และการประมวลผลข้อมูลควอนตัม

อ้างอิง:

[1] นิชิโนะ เอส , ฮาซึกิ วาย , มัตสึนามิ เอช และคณะ การสะสมไอสารเคมีของฟิล์ม β‐SiC ผลึกเดี่ยวบนพื้นผิวซิลิคอนที่มีชั้นกลาง SiC แบบสปัตเตอร์ [J] วารสารสมาคมเคมีไฟฟ้า, 1980, 127(12):2674-2680

(2) Ye Zhizhen, Wang Yadong, Huang Jingyun และคณะ การวิจัยเกี่ยวกับการเจริญเติบโตที่อุณหภูมิต่ำของฟิล์มบางของซิลิคอนคาร์ไบด์ [J] วารสารวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีสุญญากาศ, 2002, 022(001):58-60 .

(3) An Xia, Zhuang Huizhao, Li Huaixiang และคณะ การเตรียมฟิล์มบางนาโน SiC โดยแมกนีตรอนสปัตเตอร์บน (111) สารตั้งต้น Si [J] ..

[4] Seki K, Alexander, Kozawa S, และคณะ การเติบโตแบบเลือกชนิดของ SiC โดยการควบคุมความอิ่มตัวยิ่งยวดในการเติบโตของสารละลาย [J] วารสาร Crystal Growth, 2012, 360:176-180

[5] Chen Yao, Zhao Fuqiang, Zhu Bingxian, He Shuai ภาพรวมของการพัฒนาอุปกรณ์พลังงานซิลิคอนคาร์ไบด์ทั้งในและต่างประเทศ [J] ยานพาหนะและเทคโนโลยีพลังงาน, 2020: 49-54

[6] Li X , Wang G .CVD การเจริญเติบโตของชั้น 3C-SiC บนพื้นผิว 4H-SiC พร้อมการปรับปรุงสัณฐานวิทยา [J] การสื่อสารโซลิดสเตต, 2023:371

(7) Hou Kaiwen การวิจัยเกี่ยวกับสารตั้งต้นที่มีลวดลายของ Si และการประยุกต์ในการเจริญเติบโตของ 3C-SiC [D]

[8]ลาร์ส, ฮิลเลอร์, โทมัส และคณะ ผลกระทบของไฮโดรเจนในการกัดด้วย ECR ของโครงสร้าง Mesa 3C-SiC (100) [J] ฟอรัมวิทยาศาสตร์วัสดุ, 2014

[9] Xu Qingfang การเตรียมฟิล์มบาง 3C-SiC โดยการสะสมไอสารเคมีด้วยเลเซอร์ [D]

[10] Foisal A R M , Nguyen T , Dinh T K ,et al.3C-SiC/Si Heterostructure: An excellent Platform for Position-Sensitive Detectors Based on Photovoltaic Effect[J].ACS Applied Materials & Interfaces, 2019: 40980-40987.

[11] Xin Bin การเติบโตแบบเฮเทอโรเอพิแทกเซียล 3C/4H-SiC ตามกระบวนการ CVD: การจำแนกลักษณะข้อบกพร่องและวิวัฒนาการ [D]

(12) ตงลิน เทคโนโลยีการเจริญเติบโตแบบหลายเวเฟอร์ในพื้นที่ขนาดใหญ่และคุณสมบัติทางกายภาพของซิลิคอนคาร์ไบด์ [D] มหาวิทยาลัย Chinese Academy of Sciences, 2014

[13] Diani M , Simon L , Kubler L และคณะ การเจริญเติบโตของผลึกของโพลีไทป์ 3C-SiC บนซับสเตรต 6H-SiC(0001)[J] วารสารการเติบโตของคริสตัล, 2545, 235(1):95-102.