Heteroepitaxy ຂອງ 3C-SiC: ພາບລວມ

1. ການພັດທະນາປະຫວັດສາດຂອງ 3C-SiC

ການພັດທະນາຂອງ 3C-SiC, ເປັນ polytype ທີ່ສໍາຄັນຂອງ silicon carbide, ສະທ້ອນໃຫ້ເຫັນຄວາມກ້າວຫນ້າຢ່າງຕໍ່ເນື່ອງຂອງວິທະຍາສາດວັດສະດຸ semiconductor. ໃນຊຸມປີ 1980, Nishino et al. ທໍາອິດໄດ້ສໍາເລັດຮູບ 3C-SiC ຫນາ 4 μmໃສ່ substrate ຊິລິໂຄນໂດຍໃຊ້ສານເຄມີ vapor deposition (CVD)[1], ວາງພື້ນຖານສໍາລັບເຕັກໂນໂລຊີ 3C-SiC ບາງ.

ຊຸມປີ 1990 ເປັນອາຍຸທອງສໍາລັບການຄົ້ນຄວ້າ SiC. ການເປີດຕົວຂອງ Cree Research Inc. ຂອງຊິບ 6H-SiC ແລະ 4H-SiC ໃນປີ 1991 ແລະ 1994, ຕາມລໍາດັບ, ໄດ້ຊຸກຍູ້ໃຫ້ມີການຄ້າຂອງອຸປະກອນ SiC semiconductor. ຄວາມຄືບຫນ້າທາງດ້ານເຕັກໂນໂລຢີນີ້ໄດ້ວາງພື້ນຖານສໍາລັບການຄົ້ນຄວ້າຕໍ່ໄປແລະການນໍາໃຊ້ 3C-SiC.

ໃນຕົ້ນສະຕະວັດທີ 21, ຮູບເງົາ SiC ທີ່ໃຊ້ຊິລິໂຄນຍັງມີຄວາມຄືບຫນ້າທີ່ສໍາຄັນໃນປະເທດຈີນ. Ye Zhizhen et al. fabricated ຮູບເງົາ SiC ສຸດ substrates ຊິລິຄອນໂດຍໃຊ້ CVD ໃນອຸນຫະພູມຕ່ໍາໃນ 2002[2], ໃນຂະນະທີ່ An Xia et al. ໄດ້ບັນລຸຜົນໄດ້ຮັບທີ່ຄ້າຍຄືກັນໂດຍໃຊ້ magnetron sputtering ໃນອຸນຫະພູມຫ້ອງໃນປີ 2001[3].

ຢ່າງໃດກໍ່ຕາມ, ຄວາມບໍ່ສອດຄ່ອງຂອງເສັ້ນດ່າງຂະຫນາດໃຫຍ່ລະຫວ່າງ Si ແລະ SiC (ປະມານ 20%) ເຮັດໃຫ້ຄວາມຫນາແຫນ້ນຂອງຂໍ້ບົກພ່ອງສູງໃນຊັ້ນ epitaxial 3C-SiC, ໂດຍສະເພາະແມ່ນຂອບເຂດຕໍາແຫນ່ງສອງເທົ່າ (DPBs). ເພື່ອຫຼຸດຜ່ອນການນີ້, ນັກຄົ້ນຄວ້າໄດ້ເລືອກ substrates ເຊັ່ນ 6H-SiC, 15R-SiC, ຫຼື 4H-SiC ທີ່ມີທິດທາງ (0001) ສໍາລັບການຂະຫຍາຍຕົວຂອງຊັ້ນ epitaxial 3C-SiC, ດັ່ງນັ້ນການຫຼຸດຜ່ອນຄວາມຫນາແຫນ້ນຂອງຂໍ້ບົກພ່ອງ. ຕົວຢ່າງ, ໃນປີ 2012, Seki, Kazuaki et al. ສະເໜີເຕັກນິກການຄວບຄຸມ kinetic polymorphism, ບັນລຸການເຕີບໂຕທີ່ເລືອກຂອງ 3C-SiC ແລະ 6H-SiC ໃນແກ່ນ 6H-SiC(0001) ໂດຍການຄວບຄຸມການອີ່ມຕົວ [4-5]. ໃນປີ 2023, Xun Li et al. ສົບຜົນສໍາເລັດໄດ້ຮັບຊັ້ນ epitaxial 3C-SiC ກ້ຽງທີ່ບໍ່ມີ DPBs ເທິງຊັ້ນຍ່ອຍ 4H-SiC ໂດຍໃຊ້ການຂະຫຍາຍຕົວ CVD ທີ່ດີທີ່ສຸດທີ່ມີອັດຕາ 14 μm / h[6].

2. ໂຄງປະກອບການ Crystal ແລະການນໍາໃຊ້ຂອງ 3C-SiC

ໃນບັນດາ polytypes SiC ຈໍານວນຫລາຍ, 3C-SiC, ຊຶ່ງເອີ້ນກັນວ່າ β-SiC, ແມ່ນ polytypes cubic ເທົ່ານັ້ນ. ໃນໂຄງສ້າງຜລຶກນີ້, ອະຕອມ Si ແລະ C ມີຢູ່ໃນອັດຕາສ່ວນຫນຶ່ງຕໍ່ຫນຶ່ງ, ປະກອບເປັນຈຸລັງຫນ່ວຍ tetrahedral ທີ່ມີພັນທະບັດ covalent ທີ່ເຂັ້ມແຂງ. ໂຄງປະກອບການແມ່ນມີລັກສະນະໂດຍ bilayers Si-C ຈັດລຽງຕາມລໍາດັບ ABC-ABC-…, ໂດຍແຕ່ລະຫ້ອງປະກອບດ້ວຍສາມຊັ້ນ bilayers, ຫມາຍເຖິງ C3 notation. ຮູບທີ 1 ສະແດງໃຫ້ເຫັນໂຄງສ້າງຜລຶກຂອງ 3C-SiC.

                                                                                                                                                                           ຮູບທີ 1. ໂຄງສ້າງຜລຶກຂອງ 3C-SiC

ໃນປັດຈຸບັນ, ຊິລິໂຄນ (Si) ແມ່ນອຸປະກອນ semiconductor ທີ່ໃຊ້ກັນຢ່າງກວ້າງຂວາງທີ່ສຸດສໍາລັບອຸປະກອນພະລັງງານ. ຢ່າງໃດກໍຕາມ, ຂໍ້ຈໍາກັດທີ່ປະກົດຕົວຂອງມັນຈໍາກັດການປະຕິບັດຂອງມັນ. ເມື່ອປຽບທຽບກັບ 4H-SiC ແລະ 6H-SiC, 3C-SiC ມີການເຄື່ອນໄຫວທາງທິດສະດີສູງສຸດໃນອຸນຫະພູມຫ້ອງ (1000 cm2·V-1·s-1), ເຮັດໃຫ້ມັນມີປະໂຫຍດຫຼາຍສໍາລັບຄໍາຮ້ອງສະຫມັກ MOSFET. ນອກຈາກນັ້ນ, ແຮງດັນທີ່ແຕກຫັກສູງ, ການນໍາຄວາມຮ້ອນທີ່ດີເລີດ, ຄວາມແຂງສູງ, ແຖບກວ້າງ, ຄວາມຕ້ານທານຕໍ່ອຸນຫະພູມສູງ, ແລະການຕໍ່ຕ້ານລັງສີເຮັດໃຫ້ 3C-SiC ມີໂອກາດສູງສໍາລັບຄໍາຮ້ອງສະຫມັກໃນເອເລັກໂຕຣນິກ, optoelectronics, ເຊັນເຊີ, ແລະສະພາບແວດລ້ອມທີ່ສຸດ:

ການໃຊ້ພະລັງງານສູງ, ຄວາມຖີ່ສູງ, ແລະອຸນຫະພູມສູງ: ແຮງດັນທີ່ແຕກຫັກສູງຂອງ 3C-SiC ແລະການເຄື່ອນທີ່ຂອງເອເລັກໂຕຣນິກສູງເຮັດໃຫ້ມັນເຫມາະສົມສໍາລັບການຜະລິດອຸປະກອນພະລັງງານເຊັ່ນ MOSFETs, ໂດຍສະເພາະໃນສະພາບແວດລ້ອມທີ່ຕ້ອງການ[7].

Nanoelectronics ແລະ Microelectromechanical Systems (MEMS): ຄວາມເຂົ້າກັນໄດ້ກັບເທກໂນໂລຍີຊິລິໂຄນອະນຸຍາດໃຫ້ສ້າງໂຄງສ້າງ nanoscale, ເຮັດໃຫ້ການນໍາໃຊ້ໃນອຸປະກອນ nanoelectronics ແລະ MEMS[8].

Optoelectronics:ໃນຖານະເປັນວັດສະດຸ semiconductor ກວ້າງ, 3C-SiC ແມ່ນເຫມາະສົມສໍາລັບ diodes ແສງສະຫວ່າງສີຟ້າ (LEDs). ປະສິດທິພາບການສະຫວ່າງສູງແລະຄວາມງ່າຍຂອງການ doping ເຮັດໃຫ້ມັນເປັນທີ່ດຶງດູດສໍາລັບຄໍາຮ້ອງສະຫມັກໃນແສງສະຫວ່າງ, ເຕັກໂນໂລຊີການສະແດງ, ແລະ lasers[9].

ເຊັນເຊີ:3C-SiC ແມ່ນໃຊ້ໃນເຄື່ອງກວດຈັບທີ່ລະອຽດອ່ອນໃນຕຳແໜ່ງ, ໂດຍສະເພາະເຄື່ອງກວດຈັບຈຸດທີ່ລະອຽດອ່ອນຂອງເລເຊີໂດຍອີງໃສ່ຜົນກະທົບຂອງ photovoltaic ຂ້າງ. ເຄື່ອງກວດຈັບເຫຼົ່ານີ້ສະແດງໃຫ້ເຫັນຄວາມອ່ອນໄຫວສູງພາຍໃຕ້ເງື່ອນໄຂທີ່ບໍ່ມີຄວາມລໍາອຽງ, ເຮັດໃຫ້ມັນເຫມາະສົມສໍາລັບຄໍາຮ້ອງສະຫມັກການຈັດຕໍາແຫນ່ງທີ່ຊັດເຈນ[10].

3. ວິທີການກະກຽມສໍາລັບ 3C-SiC Heteroepitaxy

ວິທີການທົ່ວໄປສໍາລັບ heteroepitaxy 3C-SiC ປະກອບມີການປ່ອຍອາຍພິດທາງເຄມີ (CVD), sublimation epitaxy (SE), epitaxy ໄລຍະຂອງແຫຼວ (LPE), molecular beam epitaxy (MBE), ແລະ magnetron sputtering. CVD ແມ່ນວິທີການທີ່ຕ້ອງການສໍາລັບ 3C-SiC epitaxy ເນື່ອງຈາກການຄວບຄຸມແລະການປັບຕົວຂອງມັນໃນເງື່ອນໄຂຂອງອຸນຫະພູມ, ການໄຫຼຂອງອາຍແກັສ, ຄວາມກົດດັນຂອງຫ້ອງ, ແລະເວລາຕິກິຣິຍາ, ເຮັດໃຫ້ການເພີ່ມປະສິດທິພາບຂອງຊັ້ນ epitaxial.

ການປ່ອຍອາຍພິດທາງເຄມີ (CVD):ທາດປະສົມອາຍແກັສທີ່ມີ Si ແລະ C ຖືກນໍາເຂົ້າໄປໃນຫ້ອງຕິກິຣິຍາແລະໃຫ້ຄວາມຮ້ອນກັບອຸນຫະພູມສູງ, ນໍາໄປສູ່ການເສື່ອມໂຊມຂອງພວກມັນ. ຈາກນັ້ນອະຕອມ Si ແລະ C ຝາກໃສ່ຊັ້ນໃຕ້ດິນ, ໂດຍປົກກະຕິແລ້ວ Si, 6H-SiC, 15R-SiC, ຫຼື 4H-SiC [11]. ປະຕິກິລິຍານີ້ມັກຈະເກີດຂຶ້ນລະຫວ່າງ 1300-1500 ອົງສາ C. ແຫຼ່ງ Si ທົ່ວໄປປະກອບມີ SiH4, TCS, ແລະ MTS, ໃນຂະນະທີ່ແຫຼ່ງ C ຕົ້ນຕໍແມ່ນ C2H4 ແລະ C3H8, ມີ H2 ເປັນຜູ້ໃຫ້ບໍລິການອາຍແກັສ. ຮູບທີ 2 ສະແດງໃຫ້ເຫັນ schematic ຂອງຂະບວນການ CVD[12].

                                                                                                                                                               ຮູບທີ 2. ແຜນງານຂອງຂະບວນການ CVD

Sublimation Epitaxy (SE):ໃນວິທີການນີ້, ຊັ້ນຍ່ອຍ 6H-SiC ຫຼື 4H-SiC ແມ່ນຖືກຈັດໃສ່ຢູ່ເທິງສຸດຂອງ crucible, ມີຝຸ່ນ SiC ທີ່ມີຄວາມບໍລິສຸດສູງເປັນວັດສະດຸແຫຼ່ງຢູ່ດ້ານລຸ່ມ. crucible ແມ່ນ heated ກັບ 1900-2100 ° C ຜ່ານ induction ຄວາມຖີ່ວິທະຍຸ, ຮັກສາອຸນຫະພູມ substrate ຕ່ໍາກວ່າອຸນຫະພູມແຫຼ່ງເພື່ອສ້າງ gradient ອຸນຫະພູມຕາມແກນ. ນີ້ອະນຸຍາດໃຫ້ SiC sublimated ກັບ condense ແລະ crystallize ສຸດ substrate ໄດ້, ກອບເປັນຈໍານວນ 3C-SiC heteroepitaxy.

Molecular Beam Epitaxy (MBE):ເຕັກນິກການຂະຫຍາຍຕົວຂອງຮູບເງົາບາງໆແບບພິເສດນີ້ແມ່ນເຫມາະສົມສໍາລັບການຂະຫຍາຍຕົວຊັ້ນ epitaxial 3C-SiC ເທິງຊັ້ນຍ່ອຍ 4H-SiC ຫຼື 6H-SiC. ພາຍໃຕ້ສູນຍາກາດທີ່ສູງທີ່ສຸດ, ການຄວບຄຸມທີ່ຊັດເຈນຂອງທາດອາຍຜິດແຫຼ່ງເຮັດໃຫ້ການສ້າງຕັ້ງຂອງລໍາຕົ້ນປະລໍາມະນູຫຼືໂມເລກຸນ beams ຂອງອົງປະກອບປະກອບ. beams ເຫຼົ່ານີ້ແມ່ນມຸ້ງໄປຫາຫນ້າດິນ substrate ຄວາມຮ້ອນສໍາລັບການເຕີບໃຫຍ່ຂອງ epitaxial.

4. ບົດສະຫຼຸບ ແລະການຄາດຄະເນ

ດ້ວຍຄວາມກ້າວຫນ້າທາງດ້ານເຕັກໂນໂລຢີຢ່າງຕໍ່ເນື່ອງແລະການສຶກສາກົນຈັກຢ່າງເລິກເຊິ່ງ, 3C-SiC heteroepitaxy ກໍາລັງກຽມພ້ອມທີ່ຈະມີບົດບາດສໍາຄັນເພີ່ມຂຶ້ນໃນອຸດສາຫະກໍາ semiconductor, ຊຸກຍູ້ການພັດທະນາອຸປະກອນເອເລັກໂຕຣນິກທີ່ມີປະສິດທິພາບດ້ານພະລັງງານ. ການຂຸດຄົ້ນເຕັກນິກການຂະຫຍາຍຕົວໃຫມ່, ເຊັ່ນ: ການນໍາສະເຫນີບັນຍາກາດ HCl ເພື່ອເພີ່ມອັດຕາການເຕີບໂຕໃນຂະນະທີ່ຮັກສາຄວາມຫນາແຫນ້ນຂອງຂໍ້ບົກພ່ອງຕ່ໍາ, ເປັນເສັ້ນທາງທີ່ດີສໍາລັບການຄົ້ນຄວ້າໃນອະນາຄົດ. ການສືບສວນຕື່ມອີກກ່ຽວກັບກົນໄກການສ້າງຂໍ້ບົກພ່ອງແລະການພັດທະນາເຕັກນິກການລັກສະນະແບບພິເສດຈະຊ່ວຍໃຫ້ການຄວບຄຸມຂໍ້ບົກພ່ອງທີ່ຊັດເຈນແລະຄຸນສົມບັດຂອງວັດສະດຸທີ່ດີທີ່ສຸດ. ການຂະຫຍາຍຕົວຢ່າງໄວວາຂອງຮູບເງົາ 3C-SiC ທີ່ມີຄຸນະພາບສູງ, ຫນາແຫນ້ນແມ່ນສໍາຄັນສໍາລັບການຕອບສະຫນອງຄວາມຕ້ອງການຂອງອຸປະກອນແຮງດັນສູງ, ຮຽກຮ້ອງໃຫ້ມີການຄົ້ນຄວ້າຕື່ມອີກເພື່ອແກ້ໄຂຄວາມສົມດູນລະຫວ່າງອັດຕາການເຕີບໂຕແລະຄວາມສອດຄ່ອງຂອງວັດສະດຸ. ໂດຍການນໍາໃຊ້ການນໍາໃຊ້ຂອງ 3C-SiC ໃນ heterostructures ເຊັ່ນ SiC / GaN, ທ່າແຮງຂອງມັນຢູ່ໃນອຸປະກອນໃຫມ່ເຊັ່ນ: ເອເລັກໂຕຣນິກພະລັງງານ, ການເຊື່ອມໂຍງ optoelectronic, ແລະການປະມວນຜົນຂໍ້ມູນ quantum ສາມາດໄດ້ຮັບການຂຸດຄົ້ນຢ່າງເຕັມສ່ວນ.

ອ້າງອີງ:

[1] Nishino S , Hazuki Y , Matsunami H , et al. ການປ່ອຍອາຍພິດທາງເຄມີຂອງຮູບເງົາ crystalline β-SiC ດຽວຢູ່ເທິງຊັ້ນໃຕ້ດິນ Silicon ກັບຊັ້ນກາງ SiC Sputtered[J].Journal of The Electrochemical Society, 1980, 127(12): 2674-2680.

[2] Ye Zhizhen, Wang Yadong, Huang Jingyun, et al ການຄົ້ນຄວ້າກ່ຽວກັບການຂະຫຍາຍຕົວຂອງອຸນຫະພູມຕ່ໍາຂອງ silicon carbide ຮູບເງົາບາງໆ [J] ວາລະສານສູນຍາກາດວິທະຍາສາດແລະເຕັກໂນໂລຊີ, 2002, 022(001): 58-60. .

[3​] An Xia​, Zhuang Huizhao​, Li Huaixiang​, et al​. ການ​ກະ​ກຽມ​ຂອງ nano​-SiC ບາງ​ຮູບ​ເງົາ​ໂດຍ magnetron sputtering ສຸດ (111​) substrate Si [J​]​ ..

[4] Seki K, Alexander, Kozawa S, et al. ການຂະຫຍາຍຕົວແບບເລືອກ polytype ຂອງ SiC ໂດຍການຄວບຄຸມການອີ່ມຕົວຂອງ supersaturation ໃນການຂະຫຍາຍຕົວຂອງການແກ້ໄຂ[J]. Journal of Crystal Growth, 2012, 360:176-180.

[5​] Chen Yao​, Zhao Fuqiang​, Zhu Bingxian​, He Shuai ພາບ​ລວມ​ຂອງ​ການ​ພັດ​ທະ​ນາ​ຂອງ​ອຸ​ປະ​ກອນ​ພະ​ລັງ​ງານ​ຊິ​ລິ​ຄອນ carbide ໃນ​ແລະ​ຕ່າງ​ປະ​ເທດ [J​]​.

[6] Li X , Wang G .CVD ການຂະຫຍາຍຕົວຂອງຊັ້ນ 3C-SiC ເທິງຊັ້ນຍ່ອຍ 4H-SiC ທີ່ມີການປັບປຸງ morphology[J].Solid State Communications, 2023: 371.

[7] Hou Kaiwen.

[8] Lars, Hiller, Thomas, et al. ຜົນກະທົບຂອງໄຮໂດຣເຈນໃນ ECR-Etching ຂອງໂຄງສ້າງ 3C-SiC(100) Mesa[J].Materials Science Forum, 2014.

[9​] Xu Qingfang ການ​ກະ​ກຽມ​ຂອງ​ຮູບ​ເງົາ​ບາງ 3C​-SiC ໂດຍ laser vapor deposition [D​] Wuhan ວິ​ທະ​ຍາ​ໄລ​ເຕັກ​ໂນ​ໂລ​ຊີ​, 2016​.

[10] Foisal A R M , Nguyen T , Dinh T K , et al.3C-SiC/Si Heterostructure: ເປັນເວທີທີ່ດີເລີດສໍາລັບເຄື່ອງກວດຈັບຕໍາແຫນ່ງ-sensitive ໂດຍອີງໃສ່ຜົນກະທົບ Photovoltaic[J].ACS ວັດສະດຸນໍາໃຊ້ & ການໂຕ້ຕອບ, 2019: 409880-40980.

[11​] Xin Bin​.

[12​] Dong Lin ເຕັກ​ໂນ​ໂລ​ຊີ​ການ​ຂະ​ຫຍາຍ​ຕົວ epitaxial ຫຼາຍ wafer ແລະ​ຄຸນ​ສົມ​ບັດ​ທາງ​ດ້ານ​ຮ່າງ​ກາຍ​ຂອງ silicon carbide [D​] ວິ​ທະ​ຍາ​ໄລ​ວິ​ທະ​ຍາ​ສາດ​ຈີນ​, 2014​.

[13] Diani M , Simon L , Kubler L , et al. ການເຕີບໃຫຍ່ຂອງຜລຶກຂອງໂພລີຊະນິດ 3C-SiC ເທິງຊັ້ນຍ່ອຍ 6H-SiC(0001)[J]. Journal of Crystal Growth, 2002, 235(1:95-102.