Heteroepitaxy 3C-SiC: Gambaran Keseluruhan

1. Perkembangan Sejarah 3C-SiC

Pembangunan 3C-SiC, politaip silikon karbida yang ketara, mencerminkan kemajuan berterusan sains bahan semikonduktor. Pada tahun 1980-an, Nishino et al. pertama kali mencapai filem 3C-SiC setebal 4 μm pada substrat silikon menggunakan pemendapan wap kimia (CVD)[1], meletakkan asas untuk teknologi filem nipis 3C-SiC.

Tahun 1990-an menandakan zaman keemasan untuk penyelidikan SiC. Pelancaran cip 6H-SiC dan 4H-SiC oleh Cree Research Inc. pada tahun 1991 dan 1994, telah mendorong pengkomersilan peranti semikonduktor SiC. Kemajuan teknologi ini meletakkan asas untuk penyelidikan dan aplikasi 3C-SiC seterusnya.

Pada awal abad ke-21, filem SiC berasaskan silikon juga menyaksikan kemajuan yang ketara di China. Ye Zhizhen et al. fabrikasi filem SiC pada substrat silikon menggunakan CVD pada suhu rendah pada tahun 2002[2], manakala An Xia et al. mencapai keputusan yang sama menggunakan magnetron sputtering pada suhu bilik pada tahun 2001[3].

Walau bagaimanapun, ketidakpadanan kekisi besar antara Si dan SiC (kira-kira 20%) membawa kepada ketumpatan kecacatan yang tinggi dalam lapisan epitaxial 3C-SiC, terutamanya sempadan kedudukan berganda (DPB). Untuk mengurangkan ini, penyelidik memilih substrat seperti 6H-SiC, 15R-SiC, atau 4H-SiC dengan orientasi (0001) untuk mengembangkan lapisan epitaxial 3C-SiC, dengan itu mengurangkan ketumpatan kecacatan. Sebagai contoh, pada tahun 2012, Seki, Kazuaki et al. mencadangkan teknik kawalan polimorfisme kinetik, mencapai pertumbuhan terpilih 3C-SiC dan 6H-SiC pada benih 6H-SiC(0001) dengan mengawal supersaturasi[4-5]. Pada tahun 2023, Xun Li et al. berjaya memperoleh lapisan epitaxial 3C-SiC licin tanpa DPB pada substrat 4H-SiC menggunakan pertumbuhan CVD yang dioptimumkan dengan kadar 14 μm/j[6].

2. Struktur Kristal dan Aplikasi 3C-SiC

Di antara banyak politaip SiC, 3C-SiC, juga dikenali sebagai β-SiC, adalah satu-satunya politip padu. Dalam struktur kristal ini, atom Si dan C wujud dalam nisbah satu dengan satu, membentuk sel unit tetrahedral dengan ikatan kovalen yang kuat. Struktur ini dicirikan oleh dwilapisan Si-C yang disusun dalam urutan ABC-ABC-…, dengan setiap sel unit mengandungi tiga dwilapisan tersebut, dilambangkan dengan tatatanda C3. Rajah 1 menggambarkan struktur hablur 3C-SiC.

                                                                                                                                                                           Rajah 1. Struktur kristal 3C-SiC

Pada masa ini, silikon (Si) adalah bahan semikonduktor yang paling banyak digunakan untuk peranti kuasa. Walau bagaimanapun, batasan yang wujud menyekat prestasinya. Berbanding dengan 4H-SiC dan 6H-SiC, 3C-SiC mempunyai mobiliti elektron teori tertinggi pada suhu bilik (1000 cm2·V-1·s-1), menjadikannya lebih berfaedah untuk aplikasi MOSFET. Selain itu, voltan pecahannya yang tinggi, kekonduksian terma yang sangat baik, kekerasan yang tinggi, jurang jalur lebar, rintangan suhu tinggi dan rintangan sinaran menjadikan 3C-SiC sangat menjanjikan untuk aplikasi dalam elektronik, optoelektronik, penderia dan persekitaran yang melampau:

Aplikasi Kuasa Tinggi, Frekuensi Tinggi dan Suhu Tinggi: Voltan pecahan tinggi 3C-SiC dan mobiliti elektron yang tinggi menjadikannya sesuai untuk mengeluarkan peranti kuasa seperti MOSFET, terutamanya dalam persekitaran yang mencabar[7].

Sistem Nanoelektronik dan Mikroelektromekanikal (MEMS): Keserasiannya dengan teknologi silikon membolehkan pembuatan struktur skala nano, membolehkan aplikasi dalam peranti nanoelektronik dan MEMS[8].

Optoelektronik:Sebagai bahan semikonduktor celah jalur lebar, 3C-SiC sesuai untuk diod pemancar cahaya biru (LED). Kecekapan cahaya yang tinggi dan kemudahan doping menjadikannya menarik untuk aplikasi dalam pencahayaan, teknologi paparan dan laser[9].

Penderia:3C-SiC digunakan dalam pengesan sensitif kedudukan, terutamanya pengesan sensitif kedudukan titik laser berdasarkan kesan fotovoltaik sisi. Pengesan ini mempamerkan kepekaan yang tinggi di bawah keadaan bias sifar, menjadikannya sesuai untuk aplikasi penentududukan ketepatan[10].

3. Kaedah Penyediaan untuk 3C-SiC Heteroepitaxy

Kaedah biasa untuk heteroepitaksi 3C-SiC termasuk pemendapan wap kimia (CVD), epitaksi pemejalwapan (SE), epitaksi fasa cecair (LPE), epitaksi rasuk molekul (MBE) dan magnetron sputtering. CVD ialah kaedah pilihan untuk epitaksi 3C-SiC kerana kebolehkawalan dan kebolehsuaiannya dari segi suhu, aliran gas, tekanan ruang dan masa tindak balas, membolehkan pengoptimuman kualiti lapisan epitaxial.

Pemendapan Wap Kimia (CVD):Sebatian gas yang mengandungi Si dan C dimasukkan ke dalam ruang tindak balas dan dipanaskan pada suhu tinggi, membawa kepada penguraian. Atom Si dan C kemudian mendepositkan ke substrat, biasanya Si, 6H-SiC, 15R-SiC, atau 4H-SiC [11]. Tindak balas ini biasanya berlaku antara 1300-1500°C. Sumber Si biasa termasuk SiH4, TCS, dan MTS, manakala sumber C terutamanya C2H4 dan C3H8, dengan H2 sebagai gas pembawa. Rajah 2 menggambarkan skema proses CVD[12].

                                                                                                                                                               Rajah 2. Skema proses CVD

Epitaksi Sublimasi (SE):Dalam kaedah ini, substrat 6H-SiC atau 4H-SiC diletakkan di bahagian atas mangkuk pijar, dengan serbuk SiC ketulenan tinggi sebagai bahan sumber di bahagian bawah. Pisau dipanaskan kepada 1900-2100°C melalui aruhan frekuensi radio, mengekalkan suhu substrat lebih rendah daripada suhu sumber untuk mencipta kecerunan suhu paksi. Ini membolehkan SiC yang disublimasikan untuk memeluwap dan menghablur pada substrat, membentuk heteroepitaksi 3C-SiC.

Epitaksi Rasuk Molekul (MBE):Teknik pertumbuhan filem nipis termaju ini sesuai untuk mengembangkan lapisan epitaxial 3C-SiC pada substrat 4H-SiC atau 6H-SiC. Di bawah vakum ultra-tinggi, kawalan tepat gas sumber membolehkan pembentukan rasuk atom atau molekul berarah unsur juzuk. Rasuk ini diarahkan ke permukaan substrat yang dipanaskan untuk pertumbuhan epitaxial.

4. Kesimpulan dan Tinjauan

Dengan kemajuan teknologi yang berterusan dan kajian mekanistik yang mendalam, heteroepitaksi 3C-SiC bersedia untuk memainkan peranan yang semakin penting dalam industri semikonduktor, memacu pembangunan peranti elektronik yang cekap tenaga. Meneroka teknik pertumbuhan baharu, seperti memperkenalkan atmosfera HCl untuk meningkatkan kadar pertumbuhan sambil mengekalkan ketumpatan kecacatan yang rendah, merupakan jalan yang menjanjikan untuk penyelidikan masa depan. Penyiasatan lanjut mengenai mekanisme pembentukan kecacatan dan pembangunan teknik pencirian lanjutan akan membolehkan kawalan kecacatan yang tepat dan sifat bahan yang dioptimumkan. Pertumbuhan pesat filem 3C-SiC tebal berkualiti tinggi adalah penting untuk memenuhi permintaan peranti voltan tinggi, memerlukan penyelidikan lanjut untuk menangani keseimbangan antara kadar pertumbuhan dan keseragaman bahan. Dengan memanfaatkan aplikasi 3C-SiC dalam heterostruktur seperti SiC/GaN, potensinya dalam peranti baru seperti elektronik kuasa, integrasi optoelektronik dan pemprosesan maklumat kuantum boleh diterokai sepenuhnya.

Rujukan:

[1] Nishino S , Hazuki Y , Matsunami H ,et al. Pemendapan Wap Kimia bagi Filem β‐SiC Kristal Tunggal pada Substrat Silikon dengan Lapisan Perantaraan SiC Sputtered[J].Jurnal Persatuan Elektrokimia, 1980, 127(12):2674-2680.

[2] Ye Zhizhen, Wang Yadong, Huang Jingyun, et al Penyelidikan mengenai pertumbuhan suhu rendah filem nipis silikon karbida [J]. .

[3] An Xia, Zhuang Huizhao, Li Huaixiang, et al Penyediaan filem nipis nano-SiC oleh magnetron sputtering pada (111) substrat Si [J]. ..

[4] Seki K, Alexander, Kozawa S, et al. Pertumbuhan politaip-selektif SiC dengan kawalan supersaturasi dalam pertumbuhan larutan[J]. Jurnal Pertumbuhan Kristal, 2012, 360:176-180.

[5] Chen Yao, Zhao Fuqiang, Zhu Bingxian, He Shuai Gambaran keseluruhan pembangunan peranti kuasa silikon karbida di dalam dan luar negara [J].

[6] Li X , Wang G .Pertumbuhan CVD lapisan 3C-SiC pada substrat 4H-SiC dengan morfologi yang dipertingkatkan[J].Solid State Communications, 2023:371.

[7] Hou Kaiwen Penyelidikan tentang substrat bercorak Si dan aplikasinya dalam pertumbuhan 3C-SiC [D].

[8]Lars, Hiller, Thomas, et al. Kesan Hidrogen dalam ECR-Etching of 3C-SiC(100) Mesa Structures[J].Forum Sains Bahan, 2014.

[9] Xu Qingfang Penyediaan filem nipis 3C-SiC oleh pemendapan wap kimia laser [D].

[10] Foisal A R M , Nguyen T , Dinh T K ,et al.3C-SiC/Si Heterostructure: Platform Cemerlang untuk Pengesan Sensitif Kedudukan Berdasarkan Kesan Photovoltaic[J].ACS Applied Materials & Interfaces, 2019: 40980-40987.

[11] Xin Bin 3C/4H-SiC pertumbuhan heteroepitaxial berdasarkan proses CVD: pencirian kecacatan dan evolusi [D].

[12] Dong Lin teknologi pertumbuhan epitaxial berbilang kawasan besar dan pencirian sifat fizikal silikon karbida [D].

[13] Diani M , Simon L , Kubler L ,et al. Pertumbuhan kristal politaip 3C-SiC pada substrat 6H-SiC(0001)[J]. Jurnal Pertumbuhan Kristal, 2002, 235(1):95-102.