3C-SiC को Heteroepitaxy: एक सिंहावलोकन

1. 3C-SiC को ऐतिहासिक विकास

3C-SiC को विकास, सिलिकन कार्बाइड को एक महत्वपूर्ण polytype, अर्धचालक सामग्री विज्ञान को निरन्तर प्रगति प्रतिबिम्बित गर्दछ। 1980 मा, निशिनो et al। रासायनिक भाप डिपोजिसन (CVD) [१] को प्रयोग गरेर सिलिकन सब्सट्रेटमा 4 μm बाक्लो 3C-SiC फिलिम पहिलो पटक हासिल गर्यो, 3C-SiC पातलो-फिल्म टेक्नोलोजीको लागि जग राख्दै।

1990s लाई SiC अनुसन्धानको लागि स्वर्ण युगको रूपमा चिन्ह लगाइयो। क्री रिसर्च इंकको 1991 र 1994 मा क्रमशः 6H-SiC र 4H-SiC चिप्सको सुरुवातले SiC अर्धचालक उपकरणहरूको व्यावसायीकरणलाई प्रेरित गर्‍यो। यस प्राविधिक प्रगतिले 3C-SiC को पछिल्ला अनुसन्धान र अनुप्रयोगहरूको लागि आधार तयार गर्यो।

21 औं शताब्दीको प्रारम्भमा, सिलिकन-आधारित SiC चलचित्रहरूले पनि चीनमा उल्लेखनीय प्रगति देखे। ये Zhizhen et al। 2002 मा कम तापमानमा CVD प्रयोग गरेर सिलिकन सब्सट्रेटहरूमा निर्मित SiC फिल्महरू[2], जबकि An Xia et al। 2001 [3] मा कोठाको तापक्रममा म्याग्नेट्रोन स्पटरिंग प्रयोग गरेर समान परिणामहरू प्राप्त गरे।

यद्यपि, Si र SiC (लगभग 20%) बीचको ठूलो जाली बेमेलले 3C-SiC एपिटेक्सियल तह, विशेष गरी डबल पोजिशनिङ बाउन्ड्रीहरू (DPBs) मा उच्च दोष घनत्व निम्त्यायो। यसलाई कम गर्न, शोधकर्ताहरूले 3C-SiC एपिटेक्सियल तहहरू बढाउनको लागि (0001) अभिमुखीकरणको साथ 6H-SiC, 15R-SiC, वा 4H-SiC जस्ता सब्सट्रेटहरू छनौट गरे, जसले गर्दा दोष घनत्व कम हुन्छ। उदाहरण को लागी, 2012 मा, Seki, Kazuaki et al। सुपरस्याचुरेसन नियन्त्रण गरेर 6H-SiC(0001) बीजहरूमा 3C-SiC र 6H-SiC को चयनात्मक वृद्धि हासिल गर्दै, गतिज बहुरूपता नियन्त्रण प्रविधिको प्रस्ताव राखियो[4-5]। 2023 मा, Xun Li et al। 14 μm/h को दर संग अनुकूलित CVD वृद्धि प्रयोग गरेर 4H-SiC सब्सट्रेटहरूमा DPB रहित चिकनी 3C-SiC एपिटेक्सियल तहहरू सफलतापूर्वक प्राप्त गरियो[6]।

2. 3C-SiC को क्रिस्टल संरचना र अनुप्रयोगहरू

धेरै SiC पोलिटाइपहरू मध्ये, 3C-SiC, जसलाई β-SiC पनि भनिन्छ, एक मात्र घन पोलिटाइप हो। यस क्रिस्टल ढाँचामा, Si र C परमाणुहरू एक-देखि-एक अनुपातमा अवस्थित छन्, बलियो सहसंयोजक बन्धहरू भएको टेट्राहेड्रल एकाइ सेल बनाउँछ। यस संरचनालाई ABC-ABC-... अनुक्रममा व्यवस्थित गरिएको Si-C bilayers द्वारा विशेषता गरिएको छ, प्रत्येक एकाइ सेलमा तीनवटा यस्ता bilayers समावेश छन्, C3 नोटेशनद्वारा जनाइएको छ। चित्र 1 ले 3C-SiC को क्रिस्टल संरचनालाई चित्रण गर्दछ।

                                                                                                                                                                           चित्र 1. 3C-SiC को क्रिस्टल संरचना

हाल, सिलिकन (Si) पावर उपकरणहरूको लागि सबैभन्दा व्यापक रूपमा प्रयोग हुने अर्धचालक सामग्री हो। यद्यपि, यसको अन्तर्निहित सीमितताहरूले यसको प्रदर्शनलाई सीमित गर्दछ। 4H-SiC र 6H-SiC को तुलनामा, 3C-SiC सँग कोठाको तापक्रम (1000 cm2·V-1·s-1) मा उच्चतम सैद्धान्तिक इलेक्ट्रोन गतिशीलता छ, यसले MOSFET अनुप्रयोगहरूका लागि थप फाइदाजनक बनाउँछ। थप रूपमा, यसको उच्च ब्रेकडाउन भोल्टेज, उत्कृष्ट थर्मल चालकता, उच्च कठोरता, चौडा ब्यान्डग्याप, उच्च-तापमान प्रतिरोध, र विकिरण प्रतिरोधले 3C-SiC लाई इलेक्ट्रोनिक्स, अप्टोइलेक्ट्रोनिक्स, सेन्सरहरू, र चरम वातावरणहरूमा अनुप्रयोगहरूको लागि उच्च आशाजनक बनाउँछ:

उच्च-शक्ति, उच्च-फ्रिक्वेन्सी, र उच्च-तापमान अनुप्रयोगहरू: 3C-SiC को उच्च ब्रेकडाउन भोल्टेज र उच्च इलेक्ट्रोन गतिशीलताले यसलाई MOSFETs जस्ता पावर उपकरणहरू निर्माण गर्नको लागि आदर्श बनाउँछ, विशेष गरी माग वातावरणमा [7]।

नानोइलेक्ट्रोनिक्स र माइक्रो इलेक्ट्रोमेकानिकल प्रणाली (MEMS): सिलिकन टेक्नोलोजीसँग यसको अनुकूलताले नानोस्केल संरचनाहरूको निर्माणको लागि अनुमति दिन्छ, नानोइलेक्ट्रोनिक्स र MEMS उपकरणहरूमा अनुप्रयोगहरू सक्षम पार्दै[8]।

अप्टोइलेक्ट्रोनिक्स:फराकिलो ब्यान्डग्याप अर्धचालक सामग्रीको रूपमा, 3C-SiC नीलो प्रकाश-उत्सर्जक डायोडहरू (LEDs) को लागि उपयुक्त छ। यसको उच्च उज्यालो दक्षता र डोपिङको सहजताले यसलाई प्रकाश, डिस्प्ले टेक्नोलोजी, र लेजरहरूमा अनुप्रयोगहरूको लागि आकर्षक बनाउँछ।

सेन्सरहरू:3C-SiC स्थिति-संवेदनशील डिटेक्टरहरूमा कार्यरत छ, विशेष गरी पार्श्व फोटोभोल्टिक प्रभावमा आधारित लेजर स्पट स्थिति-संवेदनशील डिटेक्टरहरू। यी डिटेक्टरहरूले शून्य पूर्वाग्रह अवस्थाहरूमा उच्च संवेदनशीलता प्रदर्शन गर्दछ, तिनीहरूलाई सटीक स्थिति निर्धारण अनुप्रयोगहरूको लागि उपयुक्त बनाउन [१०]।

3. 3C-SiC Heteroepitaxy को लागि तयारी विधिहरू

3C-SiC heteroepitaxy को लागि सामान्य विधिहरूमा रासायनिक वाष्प निक्षेप (CVD), सबलिमेसन एपिटेक्सी (SE), तरल चरण एपिटेक्सी (LPE), आणविक बीम एपिटेक्सी (MBE), र म्याग्नेट्रोन स्पटरिङ समावेश छ। तापक्रम, ग्यास प्रवाह, चेम्बर प्रेसर, र प्रतिक्रिया समयको सन्दर्भमा यसको नियन्त्रण योग्यता र अनुकूलन क्षमताको कारणले 3C-SiC एपिटाक्सीको लागि CVD रुचाइएको विधि हो, जसले एपिटेक्सियल तह गुणस्तरको अनुकूलनलाई सक्षम पार्छ।

रासायनिक वाष्प निक्षेप (CVD):Si र C युक्त ग्यासयुक्त यौगिकहरूलाई प्रतिक्रिया कक्षमा प्रस्तुत गरिन्छ र उच्च तापक्रममा तताइन्छ, जसले गर्दा तिनीहरूको विघटन हुन्छ। त्यसपछि Si र C परमाणुहरू सब्सट्रेटमा जम्मा हुन्छन्, सामान्यतया Si, 6H-SiC, 15R-SiC, वा 4H-SiC [११]। यो प्रतिक्रिया सामान्यतया 1300-1500 डिग्री सेल्सियसको बीचमा हुन्छ। साधारण Si स्रोतहरूमा SiH4, TCS, र MTS समावेश छन्, जबकि C स्रोतहरू मुख्य रूपमा C2H4 र C3H8 हुन्, H2 वाहक ग्यासको रूपमा। चित्र २ ले CVD प्रक्रियाको योजनाबद्ध चित्रण गर्दछ[12]।

                                                                                                                                                               चित्र २. CVD प्रक्रियाको योजनाबद्ध

सबलिमेशन एपिटेक्सी (SE):यस विधिमा, 6H-SiC वा 4H-SiC सब्सट्रेट क्रुसिबलको शीर्षमा राखिएको छ, उच्च शुद्धता SiC पाउडर तल स्रोत सामग्रीको रूपमा। क्रुसिबललाई रेडियो फ्रिक्वेन्सी इन्डक्सन मार्फत 1900-2100°C मा तताइन्छ, अक्षीय तापमान ढाँचा सिर्जना गर्न स्रोतको तापक्रमभन्दा कम सब्सट्रेटको तापक्रम कायम राख्छ। यसले sublimated SiC लाई सब्सट्रेटमा गाढा र क्रिस्टलाइज गर्न अनुमति दिन्छ, 3C-SiC heteroepitaxy बनाउँछ।

आणविक बीम एपिटेक्सी (MBE):यो उन्नत पातलो-फिल्म वृद्धि प्रविधि 4H-SiC वा 6H-SiC सब्सट्रेटहरूमा 3C-SiC एपिटेक्सियल तहहरू बढ्नको लागि उपयुक्त छ। अल्ट्रा-उच्च भ्याकुम अन्तर्गत, स्रोत ग्यासहरूको सटीक नियन्त्रणले घटक तत्वहरूको दिशात्मक परमाणु वा आणविक बीमहरूको गठनलाई सक्षम बनाउँछ। यी बीमहरू एपिटेक्सियल वृद्धिको लागि तातो सब्सट्रेट सतह तिर निर्देशित छन्।

4. निष्कर्ष र आउटलुक

निरन्तर प्राविधिक विकास र गहिरो मेकानिस्टिक अध्ययनको साथ, 3C-SiC heteroepitaxy सेमीकन्डक्टर उद्योगमा बढ्दो महत्त्वपूर्ण भूमिका खेल्न तयार छ, ऊर्जा-कुशल इलेक्ट्रोनिक उपकरणहरूको विकासलाई ड्राइभ गर्दै। न्यून दोष घनत्व कायम राख्दै विकास दर बढाउन HCl वायुमण्डलहरू प्रस्तुत गर्ने जस्ता नयाँ विकास प्रविधिहरू अन्वेषण गर्ने, भविष्यको अनुसन्धानको लागि एक आशाजनक अवसर हो। दोष निर्माण संयन्त्रमा थप अनुसन्धान र उन्नत चरित्रीकरण प्रविधिको विकासले सटीक दोष नियन्त्रण र अनुकूलित सामग्री गुणहरूलाई सक्षम पार्नेछ। उच्च-गुणस्तर, बाक्लो 3C-SiC फिल्महरूको द्रुत बृद्धि उच्च-भोल्टेज उपकरणहरूको मागहरू पूरा गर्नको लागि महत्त्वपूर्ण छ, वृद्धि दर र सामग्री एकरूपता बीचको सन्तुलनलाई सम्बोधन गर्न थप अनुसन्धान आवश्यक छ। SiC/GaN जस्ता heterostructures मा 3C-SiC को अनुप्रयोगहरू प्रयोग गरेर, पावर इलेक्ट्रोनिक्स, अप्टोइलेक्ट्रोनिक एकीकरण, र क्वान्टम सूचना प्रशोधन जस्ता नयाँ उपकरणहरूमा यसको सम्भावना पूर्ण रूपमा अन्वेषण गर्न सकिन्छ।

सन्दर्भ:

[१] निशिनो एस, हाजुकी वाई, मात्सुनामी एच, एट अल। सिलिकन सब्सट्रेटमा स्पटर्ड SiC मध्यवर्ती तह [J]। इलेक्ट्रोकेमिकल सोसाइटी, 1980, 127(12):2674-2680 को जर्नल।

[२] ये झिझेन, वांग याडोंग, ह्वांग जिंगयुन, एट अल सिलिकन-आधारित सिलिकन कार्बाइड पातलो फिल्महरूको अनुसन्धान, 2002, 022(001): 58-60। ।

[३] An Xia, Zhuang Huizhao, Li Huaixiang, et al magnetron sputtering द्वारा (111) Si substrate [J] को शेडोंग सामान्य विश्वविद्यालय: प्राकृतिक विज्ञान संस्करण, 2001: 382-38। ..

[४] सेकी के, अलेक्जेंडर, कोजावा एस, एट अल। समाधान वृद्धि [J] मा सुपरस्याचुरेसन नियन्त्रण द्वारा SiC को पोलिटाइप-चयनित वृद्धि। जर्नल अफ क्रिस्टल ग्रोथ, २०१२, ३६०:१७६-१८०।

[५] चेन याओ, झाओ फुकियाङ, हे शुआइ स्वदेश र विदेशमा सिलिकन कार्बाइड पावर यन्त्रहरूको विकासको अवलोकन, २०२०: ४९-५४।

[६] Li X , Wang G .CVD वृद्धि 4H-SiC सब्सट्रेटहरूमा 3C-SiC तहहरूमा सुधारिएको आकारविज्ञान [J]। ठोस राज्य संचार, 2023:371।

[७] हौ काइवेन सिआन युनिभर्सिटी अफ टेक्नोलोजी, 2018 मा 3C-SiC वृद्धिमा अनुसन्धान।

[८]लार्स, हिलर, थोमस, एट अल। 3C-SiC(100) मेसा संरचनाहरूको ECR-Etching मा हाइड्रोजन प्रभावहरू[J]। सामग्री विज्ञान फोरम, 2014।

[९] Xu Qingfang लेजर रासायनिक वाष्प निक्षेप [D] द्वारा 3C-SiC पातलो फिल्महरू, 2016।

[१०] Foisal A R M , Nguyen T , Dinh T K , et al.3C-SiC/Si Heterostructure: फोटोभोल्टिक प्रभाव[J] मा आधारित स्थिति-संवेदनशील डिटेक्टरहरूको लागि उत्कृष्ट प्लेटफर्म।

[११] Xin Bin 3C/4H-SiC heteroepitaxial वृद्धि CVD प्रक्रियामा आधारित: दोष विशेषता र विकास [D] इलेक्ट्रोनिक विज्ञान र प्रविधि।

[१२] लार्ज एरिया बहु-वेफर एपिटेक्सियल ग्रोथ टेक्नोलोजी र सिलिकन कार्बाइड [डी] युनिभर्सिटी अफ साइन्सेज, २०१४।

[१३] डियानी एम, साइमन एल, कुबलर एल, एट अल। 6H-SiC(0001) सब्सट्रेट [J] मा 3C-SiC पोलिटाइपको क्रिस्टल वृद्धि। क्रिस्टल ग्रोथको जर्नल, 2002, 235(1):95-102।