Sejarah Perkembangan 3C SiC

Sebagai bentuk penting darisilikon karbida, sejarah perkembangan3C-SiCmencerminkan kemajuan berkelanjutan dari ilmu material semikonduktor. Pada tahun 1980-an, Nishino dkk. pertama kali memperoleh film tipis 4um 3C-SiC pada substrat silikon dengan deposisi uap kimia (CVD) [1], yang meletakkan dasar bagi teknologi film tipis 3C-SiC.

Tahun 1990-an adalah masa keemasan penelitian SiC. Cree Research Inc. meluncurkan chip 6H-SiC dan 4H-SiC masing-masing pada tahun 1991 dan 1994, mempromosikan komersialisasiPerangkat semikonduktor SiC. Kemajuan teknologi selama periode ini meletakkan dasar bagi penelitian dan penerapan 3C-SiC selanjutnya.

Pada awal abad ke-21,film tipis SiC berbasis silikon dalam negerijuga berkembang sampai batas tertentu. Ye Zhizhen dkk. menyiapkan film tipis SiC berbasis silikon dengan CVD dalam kondisi suhu rendah pada tahun 2002 [2]. Pada tahun 2001, An Xia dkk. menyiapkan film tipis SiC berbasis silikon dengan sputtering magnetron pada suhu kamar [3].

Namun karena perbedaan besar antara konstanta kisi Si dan SiC (sekitar 20%), kepadatan cacat lapisan epitaksi 3C-SiC relatif tinggi, terutama cacat kembar seperti DPB. Untuk mengurangi ketidaksesuaian kisi, peneliti menggunakan 6H-SiC, 15R-SiC atau 4H-SiC pada permukaan (0001) sebagai substrat untuk menumbuhkan lapisan epitaksi 3C-SiC dan mengurangi kepadatan cacat. Misalnya, pada tahun 2012, Seki, Kazuaki dkk. mengusulkan teknologi kontrol epitaksi polimorfik dinamis, yang mewujudkan pertumbuhan selektif polimorfik 3C-SiC dan 6H-SiC pada benih permukaan 6H-SiC (0001) dengan mengendalikan supersaturasi [4-5]. Pada tahun 2023, peneliti seperti Xun Li menggunakan metode CVD untuk mengoptimalkan pertumbuhan dan proses, dan berhasil memperoleh 3C-SiC yang lancarlapisan epitaksitanpa cacat DPB di permukaan pada substrat 4H-SiC dengan laju pertumbuhan 14um/jam[6].

Struktur Kristal dan Bidang Aplikasi 3C SiC

Di antara banyak politipe SiCD, 3C-SiC adalah satu-satunya politipe kubik, yang juga dikenal sebagai β-SiC. Dalam struktur kristal ini, atom Si dan C berada dalam perbandingan satu banding satu dalam kisi, dan setiap atom dikelilingi oleh empat atom heterogen, membentuk unit struktur tetrahedral dengan ikatan kovalen yang kuat. Ciri struktural 3C-SiC adalah lapisan diatomik Si-C disusun berulang kali dalam urutan ABC-ABC-…, dan setiap sel satuan berisi tiga lapisan diatomik, yang disebut representasi C3; struktur kristal 3C-SiC ditunjukkan pada gambar di bawah ini:

Gambar 1 Struktur kristal 3C-SiC

Saat ini, silikon (Si) merupakan bahan semikonduktor yang paling umum digunakan untuk perangkat listrik. Namun, karena kinerja Si, perangkat listrik berbasis silikon menjadi terbatas. Dibandingkan dengan 4H-SiC dan 6H-SiC, 3C-SiC memiliki mobilitas elektron teoritis suhu ruangan tertinggi (1000 cm·V-1·S-1), dan memiliki lebih banyak keunggulan dalam aplikasi perangkat MOS. Pada saat yang sama, 3C-SiC juga memiliki sifat yang sangat baik seperti tegangan rusaknya yang tinggi, konduktivitas termal yang baik, kekerasan yang tinggi, celah pita yang lebar, ketahanan suhu tinggi, dan ketahanan radiasi. Oleh karena itu, ia memiliki potensi besar dalam bidang elektronik, optoelektronik, sensor, dan aplikasi dalam kondisi ekstrem, mendorong pengembangan dan inovasi teknologi terkait, dan menunjukkan potensi penerapan yang luas di banyak bidang:

Pertama: Terutama di lingkungan bertegangan tinggi, frekuensi tinggi, dan bersuhu tinggi, tegangan tembus tinggi dan mobilitas elektron tinggi 3C-SiC menjadikannya pilihan ideal untuk pembuatan perangkat listrik seperti MOSFET [7]. Kedua: Penerapan 3C-SiC dalam sistem nanoelektronik dan mikroelektromekanis (MEMS) mendapat manfaat dari kompatibilitasnya dengan teknologi silikon, memungkinkan pembuatan struktur skala nano seperti perangkat nanoelektronik dan nanoelektromekanis [8]. Ketiga: Sebagai bahan semikonduktor celah pita lebar, 3C-SiC cocok untuk pembuatannyadioda pemancar cahaya biru(LED). Penerapannya dalam pencahayaan, teknologi tampilan, dan laser telah menarik perhatian karena efisiensi cahayanya yang tinggi dan doping yang mudah [9]. Keempat: Pada saat yang sama, 3C-SiC digunakan untuk memproduksi detektor sensitif posisi, terutama detektor sensitif posisi titik laser berdasarkan efek fotovoltaik lateral, yang menunjukkan sensitivitas tinggi dalam kondisi bias nol dan cocok untuk penentuan posisi yang tepat [10] .

3. Metode pembuatan heteroepitaxy 3C SiC

Metode pertumbuhan utama heteroepitaxy 3C-SiC meliputideposisi uap kimia (CVD), epitaksi sublimasi (SE), epitaksi fase cair (LPE), epitaksi berkas molekul (MBE), sputtering magnetron, dll. CVD adalah metode yang disukai untuk epitaksi 3C-SiC karena kemampuan pengendalian dan adaptasinya (seperti suhu, aliran gas, tekanan ruang, dan waktu reaksi, yang dapat mengoptimalkan kualitas dari lapisan epitaksi).

Deposisi uap kimia (CVD): Senyawa gas yang mengandung unsur Si dan C dilewatkan ke dalam ruang reaksi, dipanaskan dan terurai pada suhu tinggi, dan kemudian atom Si dan atom C diendapkan ke substrat Si, atau 6H-SiC, 15R- SiC, substrat 4H-SiC [11]. Suhu reaksi ini biasanya antara 1300-1500℃. Sumber Si yang umum meliputi SiH4, TCS, MTS, dll., dan sumber C terutama mencakup C2H4, C3H8, dll., dengan H2 sebagai gas pembawa. Proses pertumbuhan terutama mencakup langkah-langkah berikut: 1. Sumber reaksi fase gas diangkut ke zona pengendapan dalam aliran gas utama. 2. Reaksi fasa gas terjadi pada lapisan batas untuk menghasilkan prekursor film tipis dan produk samping. 3. Proses pengendapan, adsorpsi dan perengkahan prekursor. 4. Atom yang teradsorpsi bermigrasi dan berekonstruksi pada permukaan substrat. 5. Atom yang teradsorpsi berinti dan tumbuh pada permukaan substrat. 6. Pengangkutan massal gas buang setelah reaksi ke dalam zona aliran gas utama dan dikeluarkan dari ruang reaksi. Gambar 2 adalah diagram skema CVD [12].

Gambar 2 Diagram skema CVD

Metode sublimasi epitaksi (SE): Gambar 3 adalah diagram struktur eksperimental metode SE untuk pembuatan 3C-SiC. Langkah utamanya adalah dekomposisi dan sublimasi sumber SiC di zona suhu tinggi, pengangkutan sublimasi, dan reaksi serta kristalisasi sublimasi pada permukaan substrat pada suhu lebih rendah. Detailnya adalah sebagai berikut: Substrat 6H-SiC atau 4H-SiC ditempatkan di bagian atas wadah, danbubuk SiC dengan kemurnian tinggidigunakan sebagai bahan baku SiC dan ditempatkan di bagian bawahwadah grafit. Wadah dipanaskan hingga 1900-2100℃ dengan induksi frekuensi radio, dan suhu substrat dikontrol agar lebih rendah dari sumber SiC, membentuk gradien suhu aksial di dalam wadah, sehingga bahan SiC yang disublimasikan dapat mengembun dan mengkristal pada substrat. untuk membentuk heteroepitaksial 3C-SiC.

Keunggulan epitaksi sublimasi terutama pada dua aspek: 1. Temperatur epitaksi yang tinggi dapat mengurangi cacat kristal; 2. Dapat digores untuk mendapatkan permukaan tergores pada tingkat atom. Namun, selama proses pertumbuhan, sumber reaksi tidak dapat disesuaikan, dan rasio silikon-karbon, waktu, berbagai urutan reaksi, dll. tidak dapat diubah, sehingga mengakibatkan penurunan pengendalian proses pertumbuhan.

Gambar 3 Diagram skema metode SE untuk menumbuhkan epitaksi 3C-SiC

Epitaksi berkas molekul (MBE) adalah teknologi pertumbuhan film tipis canggih, yang cocok untuk menumbuhkan lapisan epitaksi 3C-SiC pada substrat 4H-SiC atau 6H-SiC. Prinsip dasar metode ini adalah: dalam lingkungan vakum ultra-tinggi, melalui kontrol yang tepat terhadap gas sumber, unsur-unsur lapisan epitaksi yang sedang tumbuh dipanaskan untuk membentuk berkas atom atau berkas molekul terarah dan bertumbukan pada permukaan substrat yang dipanaskan selama pertumbuhan epitaksi. Kondisi umum untuk menumbuhkan 3C-SiClapisan epitaksipada substrat 4H-SiC atau 6H-SiC adalah: dalam kondisi kaya silikon, graphene dan sumber karbon murni tereksitasi menjadi zat gas dengan senjata elektron, dan 1200-1350℃ digunakan sebagai suhu reaksi. Pertumbuhan heteroepitaksial 3C-SiC dapat diperoleh pada laju pertumbuhan 0,01-0,1 nms-1 [13].

Kesimpulan dan Prospek

Melalui kemajuan teknologi yang berkelanjutan dan penelitian mekanisme yang mendalam, teknologi heteroepitaksial 3C-SiC diharapkan dapat memainkan peran yang lebih penting dalam industri semikonduktor dan mendorong pengembangan perangkat elektronik berefisiensi tinggi. Misalnya, terus mengeksplorasi teknik dan strategi pertumbuhan baru, seperti memperkenalkan atmosfer HCl untuk meningkatkan laju pertumbuhan sekaligus mempertahankan kepadatan cacat yang rendah, merupakan arah penelitian di masa depan; penelitian mendalam tentang mekanisme pembentukan cacat, dan pengembangan teknik karakterisasi yang lebih maju, seperti analisis fotoluminesensi dan katodoluminesensi, untuk mencapai pengendalian cacat yang lebih tepat dan mengoptimalkan sifat material; pertumbuhan pesat film tebal berkualitas tinggi 3C-SiC adalah kunci untuk memenuhi kebutuhan perangkat bertegangan tinggi, dan penelitian lebih lanjut diperlukan untuk mengatasi keseimbangan antara laju pertumbuhan dan keseragaman material; dikombinasikan dengan penerapan 3C-SiC dalam struktur heterogen seperti SiC/GaN, mengeksplorasi potensi penerapannya pada perangkat baru seperti elektronika daya, integrasi optoelektronik, dan pemrosesan informasi kuantum.

Referensi:

[1] Nishino S, Hazuki Y, Matsunami H, dkk. Deposisi Uap Kimia dari Film β-SiC Kristal Tunggal pada Substrat Silikon dengan Lapisan Menengah SiC Tergagap[J].Journal of The Electrochemical Society, 1980, 127(12):2674-2680.

[2] Ye Zhizhen, Wang Yadong, Huang Jingyun, dkk. Penelitian tentang pertumbuhan suhu rendah film tipis silikon karbida berbasis silikon [J]. Journal of Vacuum Science and Technology, 2002, 022(001):58-60 .

[3] An Xia, Zhuang Huizhao, Li Huaixiang, dkk. Persiapan film tipis nano-SiC dengan magnetron sputtering pada substrat (111) Si [J]. Jurnal Universitas Normal Shandong: Edisi Ilmu Pengetahuan Alam, 2001: 382-384 ..

[4] Seki K, Alexander, Kozawa S, dkk. Pertumbuhan SiC selektif politipe dengan kontrol supersaturasi dalam pertumbuhan larutan [J]. Jurnal Pertumbuhan Kristal, 2012, 360:176-180.

[5] Chen Yao, Zhao Fuqiang, Zhu Bingxian, He Shuai. Tinjauan perkembangan perangkat listrik silikon karbida di dalam dan luar negeri [J]. Vehicle and Power Technology, 2020: 49-54.

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

[7] Hou Kaiwen. Penelitian tentang substrat berpola Si dan penerapannya dalam pertumbuhan 3C-SiC [D].

[8]Lars, Hiller, Thomas, dkk. Efek Hidrogen dalam Pengetsaan ECR Struktur Mesa 3C-SiC(100)[J].Materials Science Forum, 2014.

[9] Xu Qingfang. Persiapan film tipis 3C-SiC dengan deposisi uap kimia laser [D].

[10] Foisal A R M , Nguyen T , Dinh T K , dkk. Heterostruktur 3C-SiC/Si: Platform Luar Biasa untuk Detektor Sensitif Posisi Berdasarkan Efek Fotovoltaik[J].ACS Applied Materials & Interfaces, 2019: 40980-40987.

[11] Xin Bin. Pertumbuhan heteroepitaksial 3C/4H-SiC berdasarkan proses CVD: karakterisasi dan evolusi cacat [D].

[12] Dong Lin. Teknologi pertumbuhan epitaksi multi-wafer area besar dan karakterisasi properti fisik silikon karbida [D].

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