2024-07-29
యొక్క ముఖ్యమైన రూపంగాసిలికాన్ కార్బైడ్, అభివృద్ధి చరిత్ర3C-SiCసెమీకండక్టర్ మెటీరియల్ సైన్స్ యొక్క నిరంతర పురోగతిని ప్రతిబింబిస్తుంది. 1980లలో, నిషినో మరియు ఇతరులు. రసాయన ఆవిరి నిక్షేపణ (CVD) [1] ద్వారా సిలికాన్ సబ్స్ట్రేట్లపై మొదట 4um 3C-SiC సన్నని ఫిల్మ్లను పొందింది, ఇది 3C-SiC థిన్ ఫిల్మ్ టెక్నాలజీకి పునాది వేసింది.
1990 లు SiC పరిశోధన యొక్క స్వర్ణయుగం. క్రీ రీసెర్చ్ ఇంక్. 1991 మరియు 1994లో వరుసగా 6H-SiC మరియు 4H-SiC చిప్లను ప్రారంభించింది, దీని వాణిజ్యీకరణను ప్రోత్సహిస్తుందిSiC సెమీకండక్టర్ పరికరాలు. ఈ కాలంలో సాంకేతిక పురోగతి 3C-SiC యొక్క తదుపరి పరిశోధన మరియు అనువర్తనానికి పునాది వేసింది.
21వ శతాబ్దం ప్రారంభంలో,దేశీయ సిలికాన్ ఆధారిత SiC సన్నని చలనచిత్రాలుకొంతమేర అభివృద్ధి చెందింది కూడా. యే జిజెన్ మరియు ఇతరులు. 2002లో తక్కువ ఉష్ణోగ్రత పరిస్థితులలో CVD ద్వారా సిలికాన్-ఆధారిత SiC సన్నని చలనచిత్రాలను సిద్ధం చేసింది [2]. 2001లో, యాన్ జియా మరియు ఇతరులు. గది ఉష్ణోగ్రత వద్ద మాగ్నెట్రాన్ స్పుట్టరింగ్ ద్వారా సిలికాన్-ఆధారిత SiC సన్నని ఫిల్మ్లను సిద్ధం చేసింది [3].
అయినప్పటికీ, Si యొక్క లాటిస్ స్థిరాంకం మరియు SiC (సుమారు 20%) మధ్య పెద్ద వ్యత్యాసం కారణంగా, 3C-SiC ఎపిటాక్సియల్ పొర యొక్క లోపం సాంద్రత సాపేక్షంగా ఎక్కువగా ఉంటుంది, ముఖ్యంగా DPB వంటి జంట లోపం. లాటిస్ అసమతుల్యతను తగ్గించడానికి, పరిశోధకులు (0001) ఉపరితలంపై 6H-SiC, 15R-SiC లేదా 4H-SiCని 3C-SiC ఎపిటాక్సియల్ పొరను పెంచడానికి మరియు లోపం సాంద్రతను తగ్గించడానికి సబ్స్ట్రేట్గా ఉపయోగిస్తారు. ఉదాహరణకు, 2012లో, సెకీ, కజుకి మరియు ఇతరులు. డైనమిక్ పాలిమార్ఫిక్ ఎపిటాక్సీ కంట్రోల్ టెక్నాలజీని ప్రతిపాదించింది, ఇది సూపర్సాచురేషన్ [4-5]ని నియంత్రించడం ద్వారా 6H-SiC (0001) ఉపరితల విత్తనంపై 3C-SiC మరియు 6H-SiC యొక్క పాలిమార్ఫిక్ ఎంపిక వృద్ధిని గుర్తిస్తుంది. 2023లో, Xun Li వంటి పరిశోధకులు పెరుగుదల మరియు ప్రక్రియను ఆప్టిమైజ్ చేయడానికి CVD పద్ధతిని ఉపయోగించారు మరియు విజయవంతంగా 3C-SiCని పొందారుఎపిటాక్సియల్ పొర14um/h వృద్ధి రేటుతో 4H-SiC ఉపరితలంపై ఉపరితలంపై DPB లోపాలు లేవు[6].
3C SiC యొక్క క్రిస్టల్ స్ట్రక్చర్ మరియు అప్లికేషన్ ఫీల్డ్స్
అనేక SiCD పాలీటైప్లలో, 3C-SiC క్యూబిక్ పాలిటైప్ మాత్రమే, దీనిని β-SiC అని కూడా పిలుస్తారు. ఈ స్ఫటిక నిర్మాణంలో, Si మరియు C పరమాణువులు లాటిస్లో ఒకదానికొకటి నిష్పత్తిలో ఉంటాయి మరియు ప్రతి పరమాణువు నాలుగు భిన్నమైన పరమాణువులతో చుట్టుముట్టబడి, బలమైన సమయోజనీయ బంధాలతో టెట్రాహెడ్రల్ స్ట్రక్చరల్ యూనిట్ను ఏర్పరుస్తుంది. 3C-SiC యొక్క నిర్మాణాత్మక లక్షణం ఏమిటంటే, Si-C డయాటోమిక్ పొరలు ABC-ABC-... క్రమంలో పదే పదే అమర్చబడి ఉంటాయి మరియు ప్రతి యూనిట్ సెల్ అటువంటి మూడు డయాటోమిక్ పొరలను కలిగి ఉంటుంది, దీనిని C3 ప్రాతినిధ్యం అంటారు; 3C-SiC యొక్క క్రిస్టల్ నిర్మాణం క్రింది చిత్రంలో చూపబడింది:
మూర్తి 1 3C-SiC యొక్క క్రిస్టల్ నిర్మాణం
ప్రస్తుతం, సిలికాన్ (Si) అనేది పవర్ పరికరాల కోసం సర్వసాధారణంగా ఉపయోగించే సెమీకండక్టర్ పదార్థం. అయినప్పటికీ, Si యొక్క పనితీరు కారణంగా, సిలికాన్-ఆధారిత పవర్ పరికరాలు పరిమితం చేయబడ్డాయి. 4H-SiC మరియు 6H-SiC లతో పోలిస్తే, 3C-SiC అత్యధిక గది ఉష్ణోగ్రత సైద్ధాంతిక ఎలక్ట్రాన్ మొబిలిటీని కలిగి ఉంది (1000 cm·V-1·S-1), మరియు MOS పరికర అనువర్తనాల్లో మరిన్ని ప్రయోజనాలను కలిగి ఉంది. అదే సమయంలో, 3C-SiC అధిక బ్రేక్డౌన్ వోల్టేజ్, మంచి ఉష్ణ వాహకత, అధిక కాఠిన్యం, విస్తృత బ్యాండ్గ్యాప్, అధిక ఉష్ణోగ్రత నిరోధకత మరియు రేడియేషన్ నిరోధకత వంటి అద్భుతమైన లక్షణాలను కూడా కలిగి ఉంది. అందువల్ల, ఇది ఎలక్ట్రానిక్స్, ఆప్టోఎలక్ట్రానిక్స్, సెన్సార్లు మరియు విపరీత పరిస్థితుల్లో అప్లికేషన్లలో గొప్ప సామర్థ్యాన్ని కలిగి ఉంది, సంబంధిత సాంకేతికతల అభివృద్ధి మరియు ఆవిష్కరణలను ప్రోత్సహిస్తుంది మరియు అనేక రంగాలలో విస్తృత అప్లికేషన్ సామర్థ్యాన్ని చూపుతుంది:
మొదటిది: ముఖ్యంగా అధిక వోల్టేజ్, అధిక పౌనఃపున్యం మరియు అధిక ఉష్ణోగ్రత వాతావరణంలో, 3C-SiC యొక్క అధిక బ్రేక్డౌన్ వోల్టేజ్ మరియు అధిక ఎలక్ట్రాన్ మొబిలిటీ MOSFET [7] వంటి పవర్ పరికరాల తయారీకి ఇది ఒక ఆదర్శవంతమైన ఎంపిక. రెండవది: నానోఎలక్ట్రానిక్స్ మరియు మైక్రోఎలెక్ట్రోమెకానికల్ సిస్టమ్స్ (MEMS)లో 3C-SiC యొక్క అప్లికేషన్ సిలికాన్ టెక్నాలజీతో దాని అనుకూలత నుండి ప్రయోజనాలను పొందుతుంది, నానోఎలక్ట్రానిక్స్ మరియు నానోఎలక్ట్రోమెకానికల్ పరికరాల వంటి నానోస్కేల్ నిర్మాణాల తయారీని అనుమతిస్తుంది [8]. మూడవది: విస్తృత బ్యాండ్గ్యాప్ సెమీకండక్టర్ మెటీరియల్గా, 3C-SiC తయారీకి అనుకూలంగా ఉంటుందినీలం కాంతి-ఉద్గార డయోడ్లు(LEDలు). లైటింగ్, డిస్ప్లే టెక్నాలజీ మరియు లేజర్లలో దీని అప్లికేషన్ దాని అధిక ప్రకాశించే సామర్థ్యం మరియు సులభమైన డోపింగ్ కారణంగా దృష్టిని ఆకర్షించింది [9]. నాల్గవది: అదే సమయంలో, 3C-SiC పొజిషన్-సెన్సిటివ్ డిటెక్టర్లను తయారు చేయడానికి ఉపయోగించబడుతుంది, ప్రత్యేకించి లేజర్ పాయింట్ పొజిషన్-సెన్సిటివ్ డిటెక్టర్లు పార్శ్వ కాంతివిపీడన ప్రభావంపై ఆధారపడి ఉంటాయి, ఇవి జీరో బయాస్ పరిస్థితుల్లో అధిక సున్నితత్వాన్ని చూపుతాయి మరియు ఖచ్చితమైన స్థానానికి అనుకూలంగా ఉంటాయి [10] .
3. 3C SiC హెటెరోపిటాక్సీ తయారీ విధానం
3C-SiC హెటెరోపిటాక్సీ యొక్క ప్రధాన వృద్ధి పద్ధతులు ఉన్నాయిరసాయన ఆవిరి నిక్షేపణ (CVD), సబ్లిమేషన్ ఎపిటాక్సీ (SE), ద్రవ దశ ఎపిటాక్సీ (LPE), మాలిక్యులర్ బీమ్ ఎపిటాక్సీ (MBE), మాగ్నెట్రాన్ స్పుట్టరింగ్, మొదలైనవి. CVD అనేది 3C-SiC ఎపిటాక్సీకి దాని నియంత్రణ మరియు అనుకూలత కారణంగా (ఉష్ణోగ్రత, వాయువు ప్రవాహం, ఛాంబర్ పీడనం మరియు ప్రతిచర్య సమయం వంటివి, నాణ్యతను ఆప్టిమైజ్ చేయగలిగినందున ప్రాధాన్య పద్ధతి. ఎపిటాక్సియల్ పొర).
రసాయన ఆవిరి నిక్షేపణ (CVD): Si మరియు C మూలకాలను కలిగి ఉన్న సమ్మేళనం వాయువు ప్రతిచర్య గదిలోకి పంపబడుతుంది, అధిక ఉష్ణోగ్రత వద్ద వేడి చేయబడుతుంది మరియు కుళ్ళిపోతుంది, ఆపై Si అణువులు మరియు C పరమాణువులు Si సబ్స్ట్రేట్ లేదా 6H-SiC, 15R-పై అవక్షేపించబడతాయి. SiC, 4H-SiC సబ్స్ట్రేట్ [11]. ఈ చర్య యొక్క ఉష్ణోగ్రత సాధారణంగా 1300-1500℃ మధ్య ఉంటుంది. సాధారణ Si మూలాలలో SiH4, TCS, MTS, మొదలైనవి ఉన్నాయి మరియు C మూలాలు ప్రధానంగా C2H4, C3H8, మొదలైనవి, H2 క్యారియర్ గ్యాస్గా ఉంటాయి. వృద్ధి ప్రక్రియ ప్రధానంగా క్రింది దశలను కలిగి ఉంటుంది: 1. గ్యాస్ దశ ప్రతిచర్య మూలం ప్రధాన గ్యాస్ ప్రవాహంలో నిక్షేపణ జోన్కు రవాణా చేయబడుతుంది. 2. సన్నని ఫిల్మ్ పూర్వగాములు మరియు ఉప-ఉత్పత్తులను ఉత్పత్తి చేయడానికి సరిహద్దు పొరలో గ్యాస్ ఫేజ్ రియాక్షన్ ఏర్పడుతుంది. 3. పూర్వగామి యొక్క అవపాతం, అధిశోషణం మరియు పగుళ్ల ప్రక్రియ. 4. శోషించబడిన అణువులు సబ్స్ట్రేట్ ఉపరితలంపై వలసపోతాయి మరియు పునర్నిర్మించబడతాయి. 5. శోషించబడిన అణువులు ఉపరితల ఉపరితలంపై కేంద్రకం మరియు పెరుగుతాయి. 6. ప్రధాన గ్యాస్ ఫ్లో జోన్లోకి ప్రతిచర్య తర్వాత వ్యర్థ వాయువు యొక్క సామూహిక రవాణా మరియు రియాక్షన్ ఛాంబర్ నుండి బయటకు తీయబడుతుంది. మూర్తి 2 అనేది CVD [12] యొక్క స్కీమాటిక్ రేఖాచిత్రం.
మూర్తి 2 CVD యొక్క స్కీమాటిక్ రేఖాచిత్రం
సబ్లిమేషన్ ఎపిటాక్సీ (SE) పద్ధతి: మూర్తి 3 అనేది 3C-SiCని సిద్ధం చేయడానికి SE పద్ధతి యొక్క ప్రయోగాత్మక నిర్మాణ రేఖాచిత్రం. ప్రధాన దశలు అధిక ఉష్ణోగ్రత జోన్లో SiC మూలం యొక్క కుళ్ళిపోవడం మరియు సబ్లిమేషన్, సబ్లిమేట్ల రవాణా మరియు తక్కువ ఉష్ణోగ్రత వద్ద సబ్స్ట్రేట్ ఉపరితలంపై సబ్లిమేట్ల ప్రతిచర్య మరియు స్ఫటికీకరణ. వివరాలు క్రింది విధంగా ఉన్నాయి: 6H-SiC లేదా 4H-SiC సబ్స్ట్రేట్ క్రూసిబుల్ పైభాగంలో ఉంచబడుతుంది మరియుఅధిక స్వచ్ఛత SiC పొడిSiC ముడి పదార్థంగా ఉపయోగించబడుతుంది మరియు దిగువన ఉంచబడుతుందిగ్రాఫైట్ క్రూసిబుల్. రేడియో ఫ్రీక్వెన్సీ ఇండక్షన్ ద్వారా క్రూసిబుల్ 1900-2100℃ వరకు వేడి చేయబడుతుంది మరియు సబ్స్ట్రేట్ ఉష్ణోగ్రత SiC మూలం కంటే తక్కువగా ఉండేలా నియంత్రించబడుతుంది, క్రూసిబుల్ లోపల అక్షసంబంధ ఉష్ణోగ్రత ప్రవణతను ఏర్పరుస్తుంది, తద్వారా సబ్లిమేటెడ్ SiC పదార్థం ఉపరితలంపై ఘనీభవిస్తుంది మరియు స్ఫటికీకరిస్తుంది. 3C-SiC హెటెరోపిటాక్సియల్ ఏర్పడటానికి.
సబ్లిమేషన్ ఎపిటాక్సీ యొక్క ప్రయోజనాలు ప్రధానంగా రెండు అంశాలలో ఉన్నాయి: 1. ఎపిటాక్సీ ఉష్ణోగ్రత ఎక్కువగా ఉంటుంది, ఇది క్రిస్టల్ లోపాలను తగ్గిస్తుంది; 2. పరమాణు స్థాయిలో ఒక చెక్కబడిన ఉపరితలాన్ని పొందేందుకు ఇది చెక్కబడి ఉంటుంది. అయితే, వృద్ధి ప్రక్రియలో, ప్రతిచర్య మూలాన్ని సర్దుబాటు చేయడం సాధ్యం కాదు మరియు సిలికాన్-కార్బన్ నిష్పత్తి, సమయం, వివిధ ప్రతిచర్య శ్రేణులు మొదలైనవి మార్చబడవు, ఫలితంగా వృద్ధి ప్రక్రియ యొక్క నియంత్రణ తగ్గుతుంది.
మూర్తి 3 3C-SiC ఎపిటాక్సీని పెంచడానికి SE పద్ధతి యొక్క స్కీమాటిక్ రేఖాచిత్రం
మాలిక్యులర్ బీమ్ ఎపిటాక్సీ (MBE) అనేది అధునాతన థిన్ ఫిల్మ్ గ్రోత్ టెక్నాలజీ, ఇది 4H-SiC లేదా 6H-SiC సబ్స్ట్రేట్లపై 3C-SiC ఎపిటాక్సియల్ లేయర్లను పెంచడానికి అనుకూలంగా ఉంటుంది. ఈ పద్ధతి యొక్క ప్రాథమిక సూత్రం: అల్ట్రా-హై వాక్యూమ్ వాతావరణంలో, మూల వాయువు యొక్క ఖచ్చితమైన నియంత్రణ ద్వారా, పెరుగుతున్న ఎపిటాక్సియల్ పొర యొక్క మూలకాలు ఒక దిశాత్మక పరమాణు పుంజం లేదా పరమాణు పుంజం మరియు వేడిచేసిన ఉపరితల ఉపరితలంపై సంఘటనను ఏర్పరచడానికి వేడి చేయబడతాయి. ఎపిటాక్సియల్ పెరుగుదల. 3C-SiC పెరగడానికి సాధారణ పరిస్థితులుఎపిటాక్సియల్ పొరలు4H-SiC లేదా 6H-SiC సబ్స్ట్రేట్లు: సిలికాన్-రిచ్ పరిస్థితులలో, గ్రాఫేన్ మరియు స్వచ్ఛమైన కార్బన్ మూలాలు ఎలక్ట్రాన్ గన్తో వాయు పదార్ధాలుగా ఉత్తేజితమవుతాయి మరియు 1200-1350℃ ప్రతిచర్య ఉష్ణోగ్రతగా ఉపయోగించబడుతుంది. 3C-SiC హెటెరోపిటాక్సియల్ వృద్ధిని 0.01-0.1 nms-1 [13] వృద్ధి రేటుతో పొందవచ్చు.
ముగింపు మరియు ప్రాస్పెక్ట్
నిరంతర సాంకేతిక పురోగతి మరియు లోతైన యంత్రాంగ పరిశోధన ద్వారా, 3C-SiC హెటెరోపిటాక్సియల్ సాంకేతికత సెమీకండక్టర్ పరిశ్రమలో మరింత ముఖ్యమైన పాత్ర పోషిస్తుందని మరియు అధిక సామర్థ్యం గల ఎలక్ట్రానిక్ పరికరాల అభివృద్ధిని ప్రోత్సహిస్తుందని భావిస్తున్నారు. ఉదాహరణకు, తక్కువ లోపం సాంద్రతను కొనసాగిస్తూ వృద్ధి రేటును పెంచడానికి HCl వాతావరణాన్ని ప్రవేశపెట్టడం వంటి కొత్త వృద్ధి పద్ధతులు మరియు వ్యూహాలను అన్వేషించడం కొనసాగించడం అనేది భవిష్యత్ పరిశోధన యొక్క దిశ; లోపం ఏర్పడే విధానంపై లోతైన పరిశోధన మరియు మరింత ఖచ్చితమైన లోపం నియంత్రణను సాధించడానికి మరియు మెటీరియల్ లక్షణాలను ఆప్టిమైజ్ చేయడానికి ఫోటోల్యూమినిసెన్స్ మరియు క్యాథోడొల్యూమినిసెన్స్ అనాలిసిస్ వంటి మరింత అధునాతన క్యారెక్టరైజేషన్ టెక్నిక్ల అభివృద్ధి; అధిక-నాణ్యత మందపాటి ఫిల్మ్ 3C-SiC యొక్క వేగవంతమైన పెరుగుదల అధిక-వోల్టేజ్ పరికరాల అవసరాలను తీర్చడానికి కీలకం మరియు వృద్ధి రేటు మరియు పదార్థ ఏకరూపత మధ్య సమతుల్యతను అధిగమించడానికి మరింత పరిశోధన అవసరం; SiC/GaN వంటి వైవిధ్య నిర్మాణాలలో 3C-SiC అప్లికేషన్తో కలిపి, పవర్ ఎలక్ట్రానిక్స్, ఆప్టోఎలక్ట్రానిక్ ఇంటిగ్రేషన్ మరియు క్వాంటం ఇన్ఫర్మేషన్ ప్రాసెసింగ్ వంటి కొత్త పరికరాలలో దాని సంభావ్య అప్లికేషన్లను అన్వేషించండి.
సూచనలు:
[1] నిషినో S , Hazuki Y , Matsunami H , et al. Sputtered SiC ఇంటర్మీడియట్ లేయర్[J]తో సిలికాన్ సబ్స్ట్రేట్పై సింగిల్ క్రిస్టలైన్ β-SiC ఫిల్మ్ల రసాయన ఆవిరి నిక్షేపణ. జర్నల్ ఆఫ్ ది ఎలక్ట్రోకెమికల్ సొసైటీ, 1980, 127(12):2674-2680.
[2] యే జిజెన్, వాంగ్ యాడోంగ్, హువాంగ్ జింగ్యున్ మరియు ఇతరులు సిలికాన్-ఆధారిత సిలికాన్ కార్బైడ్ సన్నని చలనచిత్రాల [J] జర్నల్ ఆఫ్ వాక్యూమ్ సైన్స్ అండ్ టెక్నాలజీ, 2002, 022(001):58-60. .
[3] యాన్ జియా, జువాంగ్ హుయిజావో, లి హుయాక్సియాంగ్, మరియు ఇతరులు (111) Si సబ్స్ట్రేట్పై నానో-SiC సన్నని చలనచిత్రాల తయారీ [J] షాన్డాంగ్ నార్మల్ యూనివర్సిటీ: నేచురల్ సైన్స్ ఎడిషన్, 2001: 382-384. ..
[4] సెకి కె, అలెగ్జాండర్, కొజావా ఎస్, మరియు ఇతరులు. సొల్యూషన్ గ్రోత్[J]లో సూపర్సాచురేషన్ నియంత్రణ ద్వారా SiC యొక్క పాలీటైప్-సెలెక్టివ్ గ్రోత్. జర్నల్ ఆఫ్ క్రిస్టల్ గ్రోత్, 2012, 360:176-180.
[5] చెన్ యావో, జావో ఫుకియాంగ్, జు బింగ్జియాన్, హే షువాయ్ స్వదేశంలో మరియు విదేశాలలో సిలికాన్ కార్బైడ్ పవర్ డివైజ్ల అభివృద్ధి గురించిన అవలోకనం [J], 2020: 49-54.
[6] మెరుగైన పదనిర్మాణ శాస్త్రం[J]తో 4H-SiC ఉపరితలాలపై 3C-SiC పొరల యొక్క Li X, వాంగ్ G .CVD పెరుగుదల. సాలిడ్ స్టేట్ కమ్యూనికేషన్స్, 2023:371.
[7] హౌ కైవెన్ 3C-SiC గ్రోత్ [D]లో Si నమూనా సబ్స్ట్రేట్పై పరిశోధన, 2018.
[8]లార్స్, హిల్లర్, థామస్, మరియు ఇతరులు. 3C-SiC(100) మెసా స్ట్రక్చర్స్[J] యొక్క ECR-ఎచింగ్లో హైడ్రోజన్ ప్రభావాలు.మెటీరియల్స్ సైన్స్ ఫోరమ్, 2014.
[9] జు కింగ్ఫాంగ్ 3C-SiC సన్నని చలనచిత్రాలను లేజర్ రసాయన ఆవిరి నిక్షేపణ ద్వారా తయారు చేయడం [D].
[10] Foisal A R M , Nguyen T , Dinh T K , మరియు ఇతరులు
[11] Xin Bin 3C/4H-SiC హెటెరోపిటాక్సియల్ గ్రోత్ ఆధారంగా CVD ప్రాసెస్: డిఫెక్ట్ క్యారెక్టరైజేషన్ అండ్ ఎవల్యూషన్ [D].
[12] డాంగ్ లిన్. లార్జ్-ఏరియా మల్టీ-వేఫర్ ఎపిటాక్సియల్ గ్రోత్ టెక్నాలజీ మరియు ఫిజికల్ ప్రాపర్టీ క్యారెక్టరైజేషన్ ఆఫ్ చైనీస్ అకాడెమీ ఆఫ్ సైన్సెస్, 2014.
[13] డయాని M , సైమన్ L , Kubler L , et al. 6H-SiC(0001) సబ్స్ట్రేట్[J]పై 3C-SiC పాలిటైప్ యొక్క క్రిస్టల్ పెరుగుదల. జర్నల్ ఆఫ్ క్రిస్టల్ గ్రోత్, 2002, 235(1):95-102.