3C SiC चा विकास इतिहास

चा एक महत्त्वाचा प्रकार म्हणूनसिलिकॉन कार्बाइड, चा विकास इतिहास3C-SiCसेमीकंडक्टर मटेरियल सायन्सची सतत प्रगती दर्शवते. 1980 च्या दशकात, निशिनो आणि इतर. सिलिकॉन सब्सट्रेट्सवर रासायनिक वाफ डिपॉझिशन (CVD) [1] द्वारे प्रथम 4um 3C-SiC पातळ फिल्म्स मिळवल्या, ज्याने 3C-SiC पातळ फिल्म तंत्रज्ञानाचा पाया घातला.

1990 चे दशक हे SiC संशोधनाचा सुवर्णकाळ होता. क्री रिसर्च इंक. ने 1991 आणि 1994 मध्ये अनुक्रमे 6H-SiC आणि 4H-SiC चिप्स लाँच केल्या, ज्याच्या व्यापारीकरणाला प्रोत्साहन दिले.SiC सेमीकंडक्टर उपकरणे. या कालावधीतील तांत्रिक प्रगतीने 3C-SiC च्या पुढील संशोधन आणि अनुप्रयोगाचा पाया घातला.

21 व्या शतकाच्या सुरुवातीला,घरगुती सिलिकॉन-आधारित SiC पातळ चित्रपटदेखील काही प्रमाणात विकसित. ये झिझेन वगैरे. 2002 मध्ये कमी तापमानाच्या परिस्थितीत CVD द्वारे सिलिकॉन-आधारित SiC पातळ चित्रपट तयार केले [2]. 2001 मध्ये, An Xia et al. खोलीच्या तपमानावर मॅग्नेट्रॉन स्पटरिंगद्वारे सिलिकॉन-आधारित SiC पातळ फिल्म तयार केली [3].

तथापि, Si च्या जाळी स्थिरांक आणि SiC (सुमारे 20%) मधील मोठ्या फरकामुळे, 3C-SiC एपिटॅक्सियल लेयरची दोष घनता तुलनेने जास्त आहे, विशेषत: DPB सारखे दुहेरी दोष. जाळीची जुळणी कमी करण्यासाठी, संशोधक (0001) पृष्ठभागावर 6H-SiC, 15R-SiC किंवा 4H-SiC 3C-SiC एपिटॅक्सियल लेयर वाढवण्यासाठी आणि दोष घनता कमी करण्यासाठी सब्सट्रेट म्हणून वापरतात. उदाहरणार्थ, 2012 मध्ये, सेकी, काझुआकी इ. ने डायनॅमिक पॉलीमॉर्फिक एपिटॅक्सी कंट्रोल टेक्नॉलॉजी प्रस्तावित केली, जी सुपरसॅच्युरेशन [४-५] नियंत्रित करून 6H-SiC (0001) पृष्ठभागावरील 3C-SiC आणि 6H-SiC ची पॉलिमॉर्फिक निवडक वाढ ओळखते. 2023 मध्ये, Xun Li सारख्या संशोधकांनी वाढ आणि प्रक्रिया ऑप्टिमाइझ करण्यासाठी CVD पद्धत वापरली आणि यशस्वीरित्या 3C-SiC मिळवले.एपिटॅक्सियल लेयर4H-SiC सब्सट्रेटवर 14um/h[6] च्या वाढीच्या दराने पृष्ठभागावर कोणतेही DPB दोष नसतात.

3C SiC चे क्रिस्टल स्ट्रक्चर आणि ऍप्लिकेशन फील्ड

अनेक SiCD पॉलिटाइपमध्ये, 3C-SiC हा एकमेव क्यूबिक पॉलीटाइप आहे, ज्याला β-SiC असेही म्हणतात. या क्रिस्टल रचनेत, Si आणि C अणू जाळीमध्ये एक ते एक गुणोत्तरात अस्तित्वात आहेत आणि प्रत्येक अणू चार विषम अणूंनी वेढलेला आहे, मजबूत सहसंयोजक बंधांसह एक टेट्राहेड्रल संरचनात्मक एकक तयार करतो. 3C-SiC चे स्ट्रक्चरल वैशिष्ट्य म्हणजे Si-C डायटॉमिक लेयर वारंवार ABC-ABC-… या क्रमाने मांडले जातात आणि प्रत्येक युनिट सेलमध्ये असे तीन डायटॉमिक लेयर असतात, ज्याला C3 प्रतिनिधित्व म्हणतात; 3C-SiC ची क्रिस्टल रचना खालील आकृतीमध्ये दर्शविली आहे:

आकृती 1 3C-SiC ची क्रिस्टल रचना

सध्या, सिलिकॉन (Si) ही पॉवर उपकरणांसाठी सर्वाधिक वापरली जाणारी अर्धसंवाहक सामग्री आहे. तथापि, Si च्या कार्यक्षमतेमुळे, सिलिकॉन-आधारित पॉवर डिव्हाइसेस मर्यादित आहेत. 4H-SiC आणि 6H-SiC च्या तुलनेत, 3C-SiC मध्ये सर्वात जास्त खोली तापमान सैद्धांतिक इलेक्ट्रॉन गतिशीलता आहे (1000 cm·V-1·S-1), आणि MOS उपकरण अनुप्रयोगांमध्ये त्याचे अधिक फायदे आहेत. त्याच वेळी, 3C-SiC मध्ये उच्च ब्रेकडाउन व्होल्टेज, चांगली थर्मल चालकता, उच्च कडकपणा, रुंद बँडगॅप, उच्च तापमान प्रतिरोध आणि रेडिएशन प्रतिरोध यांसारखे उत्कृष्ट गुणधर्म देखील आहेत. त्यामुळे, यात इलेक्ट्रॉनिक्स, ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक्स, सेन्सर्स आणि अत्यंत परिस्थितीतील ऍप्लिकेशन्समध्ये मोठी क्षमता आहे, संबंधित तंत्रज्ञानाच्या विकासाला आणि नावीन्यपूर्णतेला चालना देणारी आणि अनेक क्षेत्रांमध्ये मोठ्या प्रमाणात ऍप्लिकेशनची क्षमता दर्शवित आहे:

प्रथम: विशेषत: उच्च व्होल्टेज, उच्च वारंवारता आणि उच्च तापमान वातावरणात, उच्च ब्रेकडाउन व्होल्टेज आणि 3C-SiC चे उच्च इलेक्ट्रॉन गतिशीलता हे MOSFET [७] सारख्या उर्जा उपकरणांच्या निर्मितीसाठी एक आदर्श पर्याय बनवते. दुसरा: नॅनोइलेक्ट्रॉनिक्स आणि मायक्रोइलेक्ट्रोमेकॅनिकल सिस्टम (MEMS) मध्ये 3C-SiC चा वापर सिलिकॉन तंत्रज्ञानाशी सुसंगततेचा फायदा घेतो, ज्यामुळे नॅनोइलेक्ट्रॉनिक्स आणि नॅनोइलेक्ट्रोमेकॅनिकल उपकरणे [8] सारख्या नॅनोस्केल संरचना तयार करता येतात. तिसरा: विस्तृत बँडगॅप सेमीकंडक्टर सामग्री म्हणून, 3C-SiC उत्पादनासाठी योग्य आहेनिळा प्रकाश-उत्सर्जक डायोड(LEDs). प्रकाश, डिस्प्ले तंत्रज्ञान आणि लेसरमधील त्याच्या अनुप्रयोगाने त्याच्या उच्च चमकदार कार्यक्षमता आणि सुलभ डोपिंगमुळे लक्ष वेधून घेतले आहे [९]. चौथा: त्याच वेळी, 3C-SiC पोझिशन-सेन्सिटिव्ह डिटेक्टर, विशेषत: लेसर पॉइंट पोझिशन-सेन्सिटिव्ह डिटेक्टर पार्श्व फोटोव्होल्टेइक इफेक्टवर आधारित तयार करण्यासाठी वापरले जाते, जे शून्य पूर्वाग्रह परिस्थितीत उच्च संवेदनशीलता दर्शवतात आणि अचूक स्थितीसाठी योग्य आहेत [१०] .

3. 3C SiC heteroepitaxy ची तयारी पद्धत

3C-SiC heteroepitaxy च्या मुख्य वाढ पद्धतींचा समावेश होतोरासायनिक वाफ जमा करणे (CVD), उदात्तीकरण एपिटॅक्सी (SE), लिक्विड फेज एपिटॅक्सी (एलपीई), मॉलिक्युलर बीम एपिटॅक्सी (एमबीई), मॅग्नेट्रॉन स्पटरिंग, इ. 3C-SiC एपिटॅक्सीसाठी CVD ही त्याची नियंत्रणक्षमता आणि अनुकूलता (जसे की तापमान, वायू प्रवाह, चेंबर प्रेशर आणि रिॲक्शन टाईम, ज्याची गुणवत्ता ऑप्टिमाइझ करू शकते) साठी पसंतीची पद्धत आहे. एपिटॅक्सियल लेयर).

रासायनिक वाष्प निक्षेप (CVD): Si आणि C घटक असलेला संयुग वायू अभिक्रिया कक्षात जातो, उच्च तापमानात गरम होतो आणि विघटित होतो आणि नंतर Si अणू आणि C अणू Si सब्सट्रेटवर किंवा 6H-SiC, 15R- वर उपसले जातात. SiC, 4H-SiC सब्सट्रेट [११]. या प्रतिक्रियेचे तापमान सामान्यतः 1300-1500℃ दरम्यान असते. सामान्य Si स्त्रोतांमध्ये SiH4, TCS, MTS, इत्यादींचा समावेश होतो आणि C स्त्रोतांमध्ये प्रामुख्याने C2H4, C3H8, इत्यादींचा समावेश होतो, H2 वाहक वायू म्हणून. वाढीच्या प्रक्रियेत प्रामुख्याने पुढील चरणांचा समावेश होतो: 1. गॅस फेज प्रतिक्रिया स्त्रोत मुख्य वायू प्रवाहातील डिपॉझिशन झोनमध्ये नेला जातो. 2. पातळ फिल्म प्रिकर्सर्स आणि उप-उत्पादने निर्माण करण्यासाठी सीमा स्तरामध्ये गॅस फेज प्रतिक्रिया उद्भवते. 3. पूर्वाश्रमीची पर्जन्य, शोषण आणि क्रॅकिंग प्रक्रिया. 4. शोषलेले अणू थराच्या पृष्ठभागावर स्थलांतरित होतात आणि पुनर्रचना करतात. 5. शोषलेले अणू न्यूक्लिट होतात आणि थर पृष्ठभागावर वाढतात. 6. मुख्य वायू प्रवाह झोनमध्ये प्रतिक्रिया झाल्यानंतर कचरा वायूचे मोठ्या प्रमाणात वाहतूक आणि प्रतिक्रिया कक्षातून बाहेर काढले जाते. आकृती 2 हे CVD [१२] चे एक योजनाबद्ध आकृती आहे.

आकृती 2 CVD चे योजनाबद्ध आकृती

Sublimation epitaxy (SE) पद्धत: आकृती 3 3C-SiC तयार करण्यासाठी SE पद्धतीचा प्रायोगिक रचना आकृती आहे. उच्च तापमानाच्या झोनमध्ये SiC स्त्रोताचे विघटन आणि उदात्तीकरण, सबलिमेट्सची वाहतूक आणि कमी तापमानात सब्सट्रेटच्या पृष्ठभागावर सबलिमेट्सची प्रतिक्रिया आणि क्रिस्टलायझेशन हे मुख्य टप्पे आहेत. तपशील खालीलप्रमाणे आहेत: 6H-SiC किंवा 4H-SiC सब्सट्रेट क्रूसिबलच्या शीर्षस्थानी ठेवलेला आहे आणिउच्च-शुद्धता SiC पावडरSiC कच्चा माल म्हणून वापरला जातो आणि तळाशी ठेवला जातोग्रेफाइट क्रूसिबल. रेडिओ फ्रिक्वेन्सी इंडक्शनद्वारे क्रूसिबल 1900-2100℃ पर्यंत गरम केले जाते आणि सब्सट्रेटचे तापमान SiC स्त्रोतापेक्षा कमी नियंत्रित केले जाते, क्रुसिबलच्या आत एक अक्षीय तापमान ग्रेडियंट तयार करते, जेणेकरून sublimated SiC सामग्री सब्सट्रेटवर घनरूप आणि स्फटिक होऊ शकते. 3C-SiC heteroepitaxial तयार करण्यासाठी.

उदात्तीकरण एपिटॅक्सीचे फायदे प्रामुख्याने दोन पैलूंमध्ये आहेत: 1. एपिटॅक्सी तापमान जास्त आहे, ज्यामुळे क्रिस्टल दोष कमी होऊ शकतात; 2. अणु स्तरावर कोरलेली पृष्ठभाग मिळविण्यासाठी ते कोरले जाऊ शकते. तथापि, वाढीच्या प्रक्रियेदरम्यान, प्रतिक्रिया स्त्रोत समायोजित केले जाऊ शकत नाही, आणि सिलिकॉन-कार्बन गुणोत्तर, वेळ, विविध प्रतिक्रिया क्रम इ. बदलता येत नाहीत, परिणामी वाढ प्रक्रियेची नियंत्रणक्षमता कमी होते.

आकृती 3 3C-SiC एपिटॅक्सीच्या वाढीसाठी SE पद्धतीचे योजनाबद्ध आकृती

मॉलिक्युलर बीम एपिटॅक्सी (MBE) हे एक प्रगत पातळ फिल्म ग्रोथ तंत्रज्ञान आहे, जे 4H-SiC किंवा 6H-SiC सब्सट्रेट्सवर 3C-SiC एपिटॅक्सियल लेयर वाढवण्यासाठी योग्य आहे. या पद्धतीचे मूळ तत्त्व असे आहे: अति-उच्च व्हॅक्यूम वातावरणात, स्त्रोत वायूच्या अचूक नियंत्रणाद्वारे, वाढत्या एपिटॅक्सियल लेयरचे घटक दिशात्मक अणू बीम किंवा आण्विक बीम तयार करण्यासाठी गरम केले जातात आणि तापलेल्या सब्सट्रेट पृष्ठभागावर घटना घडतात. एपिटॅक्सियल वाढ. 3C-SiC वाढविण्यासाठी सामान्य परिस्थितीएपिटॅक्सियल स्तर4H-SiC किंवा 6H-SiC वर सबस्ट्रेट्स आहेत: सिलिकॉन-समृद्ध परिस्थितीत, ग्राफीन आणि शुद्ध कार्बन स्त्रोत इलेक्ट्रॉन गनसह वायू पदार्थांमध्ये उत्तेजित होतात आणि प्रतिक्रिया तापमान म्हणून 1200-1350℃ वापरतात. 3C-SiC heteroepitaxial वाढ 0.01-0.1 nms-1 [13] च्या वाढीच्या दराने मिळवता येते.

निष्कर्ष आणि संभाव्यता

सतत तांत्रिक प्रगती आणि सखोल यंत्रणा संशोधनाद्वारे, 3C-SiC heteroepitaxial तंत्रज्ञानाने सेमीकंडक्टर उद्योगात अधिक महत्त्वाची भूमिका बजावणे आणि उच्च-कार्यक्षमतेच्या इलेक्ट्रॉनिक उपकरणांच्या विकासास प्रोत्साहन देणे अपेक्षित आहे. उदाहरणार्थ, कमी दोष घनता राखून वाढीचा दर वाढवण्यासाठी एचसीएल वातावरणाचा परिचय करून देणे यासारख्या नवीन वाढीचे तंत्र आणि धोरणे शोधत राहणे ही भविष्यातील संशोधनाची दिशा आहे; दोष निर्मितीच्या यंत्रणेवर सखोल संशोधन आणि अधिक अचूक दोष नियंत्रण मिळविण्यासाठी आणि भौतिक गुणधर्मांना अनुकूल करण्यासाठी फोटोल्युमिनेसन्स आणि कॅथोडोल्युमिनेसेन्स विश्लेषण यासारख्या अधिक प्रगत व्यक्तिचित्रण तंत्रांचा विकास; उच्च-गुणवत्तेची जाडी फिल्म 3C-SiC ची जलद वाढ ही उच्च-व्होल्टेज उपकरणांच्या गरजा पूर्ण करण्याची गुरुकिल्ली आहे आणि वाढीचा दर आणि भौतिक एकरूपता यांच्यातील संतुलनावर मात करण्यासाठी पुढील संशोधन आवश्यक आहे; SiC/GaN सारख्या विषम संरचनांमध्ये 3C-SiC च्या ऍप्लिकेशनसह एकत्रितपणे, पॉवर इलेक्ट्रॉनिक्स, ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक इंटिग्रेशन आणि क्वांटम माहिती प्रक्रिया यासारख्या नवीन उपकरणांमध्ये त्याचे संभाव्य अनुप्रयोग एक्सप्लोर करा.

संदर्भ:

[१] निशिनो एस, हाझुकी वाई, मात्सुनामी एच, इत्यादी. सिलिकॉन सब्सट्रेट ऑन सिलिकॉन सब्सट्रेट विथ स्पटर्ड SiC इंटरमीडिएट लेयर[जे]. जर्नल ऑफ द इलेक्ट्रोकेमिकल सोसायटी, 1980, 127(12):2674-2680.

[२] ये झिझेन, वांग याडोंग, हुआंग जिंगयुन, एट अल. सिलिकॉन-आधारित सिलिकॉन कार्बाइड पातळ फिल्म्सचे संशोधन, 2002, 022(001):58-60. .

[३] An Xia, Zhuang Huizhao, Li Huaixiang, et al. magnetron sputtering द्वारे नॅनो-SiC पातळ फिल्म्स तयार करणे (111) Si substrate [J] शेडोंग नॉर्मल युनिव्हर्सिटीचे जर्नल: 2001: 382-384. ..

[४] सेकी के, अलेक्झांडर, कोझावा एस, इ. सोल्यूशन ग्रोथ[J] मध्ये सुपरसॅच्युरेशन कंट्रोलद्वारे SiC ची पॉलिटाइप-सिलेक्टिव्ह वाढ. जर्नल ऑफ क्रिस्टल ग्रोथ, 2012, 360:176-180.

[५] चेन याओ, झाओ फुकियांग, झू बिंग्झियान, हे शुई देश-विदेशात सिलिकॉन कार्बाइड पॉवर उपकरणांच्या विकासाचा आढावा, 2020: 49-54.

[६] Li X , Wang G .CVD 4H-SiC थरांवर 3C-SiC स्तरांची वाढ सुधारित आकारविज्ञान [J]. सॉलिड स्टेट कम्युनिकेशन्स, 2023:371.

[७] सिआन युनिव्हर्सिटी ऑफ टेक्नॉलॉजी, 2018 मध्ये सी पॅटर्नयुक्त सब्सट्रेट आणि त्याचा वापर.

[८]लार्स, हिलर, थॉमस, इ. 3C-SiC(100) मेसा स्ट्रक्चर्सच्या ECR-इचिंगमध्ये हायड्रोजन इफेक्ट्स[J].मटेरिअल्स सायन्स फोरम, 2014.

[९] Xu Qingfang 3C-SiC पातळ फिल्म्सची लेसर रासायनिक वाष्प जमा करून तयार करणे [D] वुहान युनिव्हर्सिटी ऑफ टेक्नॉलॉजी, 2016.

[१०] Foisal A R M, Nguyen T, Dinh T K, et al.3C-SiC/Si हेटरोस्ट्रक्चर: फोटोव्होल्टेइक प्रभाव[J].ACS अप्लाइड मटेरिअल्स आणि इंटरफेस, 2019: 4098-4097 वर आधारित पोझिशन-सेन्सिटिव्ह डिटेक्टर्ससाठी एक उत्कृष्ट प्लॅटफॉर्म

[११] Xin Bin 3C/4H-SiC हेटरोएपिटॅक्सियल ग्रोथ CVD प्रक्रियेवर आधारित: दोष वैशिष्ट्यपूर्ण आणि उत्क्रांती [डी] इलेक्ट्रॉनिक विज्ञान आणि तंत्रज्ञान.

[१२] लार्ज-एरिया मल्टी-वेफर एपिटॅक्सियल ग्रोथ टेक्नॉलॉजी आणि सिलिकॉन कार्बाइड [डी] युनिव्हर्सिटी ऑफ सायन्सेस, 2014.

[१३] डायनी एम, सायमन एल, कुबलर एल, इ. 6H-SiC(0001) सब्सट्रेट[J] वर 3C-SiC पॉलिटाइपची क्रिस्टल वाढ. जर्नल ऑफ क्रिस्टल ग्रोथ, 2002, 235(1):95-102.