3C SiC चा विकास इतिहास

च्या 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.

१ 1990 1990 ० चे दशक एसआयसी रिसर्चचे सुवर्णकाळ होते. क्री रिसर्च इंक. 1991 आणि 1994 मध्ये अनुक्रमे 6 एच-एसआयसी आणि 4 एच-एसआयसी चिप्स सुरू केली, ज्याचे व्यापारीकरणाला प्रोत्साहन दिलेSic सेमीकंडक्टर डिव्हाइस. या कालावधीतील तांत्रिक प्रगतीने 3C-SiC च्या पुढील संशोधन आणि अनुप्रयोगाचा पाया घातला.

21 व्या शतकाच्या सुरुवातीला,घरगुती सिलिकॉन-आधारित एसआयसी 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 आणि इतर. 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 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 3 सी-एसआयसीची उच्च इलेक्ट्रॉन गतिशीलता ही एमओएसएफईटी [7] सारख्या उत्पादन उर्जा उपकरणांसाठी एक आदर्श निवड करते. दुसरा: नॅनोइलेक्ट्रॉनिक्स आणि मायक्रोइलेक्ट्रोमेकॅनिकल सिस्टम्स (एमईएमएस) मध्ये 3 सी-एसआयसीचा अनुप्रयोग सिलिकॉन तंत्रज्ञानासह त्याच्या सुसंगततेमुळे फायदा होतो, ज्यामुळे नॅनोइलेक्ट्रॉनिक्स आणि नॅनोइलेक्ट्रोमेकॅनिकल डिव्हाइस सारख्या नॅनोस्केल स्ट्रक्चर्सचे उत्पादन होऊ शकते []]. तिसरा: विस्तृत बँडगॅप सेमीकंडक्टर मटेरियल म्हणून, 3 सी-एसआयसीच्या निर्मितीसाठी योग्य आहेनिळा प्रकाश-उत्सर्जक डायोड(एलईडी). प्रकाश, प्रदर्शन तंत्रज्ञान आणि लेसरमधील त्याच्या अनुप्रयोगाने उच्च चमकदार कार्यक्षमता आणि सुलभ डोपिंगमुळे लक्ष वेधले आहे []]. चौथा: त्याच वेळी, 3 सी-एसआयसीचा वापर स्थिती-संवेदनशील डिटेक्टर तयार करण्यासाठी केला जातो, विशेषत: लेसर पॉईंट पोझिशन-सेन्सेटिव्ह डिटेक्टर बाजूकडील फोटोव्होल्टिक इफेक्टवर आधारित, जे शून्य पूर्वाग्रह परिस्थितीत उच्च संवेदनशीलता दर्शवितात 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), उपभोग एपिटॅक्सी (एसई), लिक्विड फेज एपिटॅक्सी (एलपीई), आण्विक बीम एपिटॅक्सी (एमबीई), मॅग्नेट्रॉन स्पटरिंग इ. सीव्हीडी त्याच्या नियंत्रणीयतेमुळे आणि अनुकूलतेमुळे 3 सी-एसआयसी एपिटॅक्सीसाठी प्राधान्य दिलेली पद्धत आहे (जसे की तापमान, गॅस प्रवाह, चेंबर प्रेशर आणि प्रतिक्रिया वेळ, जे गुणवत्तेची गुणवत्ता अनुकूलित करू शकते एपिटॅक्सियल लेयर).

रासायनिक वाष्प जमा (सीव्हीडी): एसआय आणि सी घटक असलेले एक कंपाऊंड गॅस प्रतिक्रिया चेंबरमध्ये जाते, गरम आणि उच्च तापमानात विघटित होते आणि नंतर सी अणू आणि सी अणू एसआय सब्सट्रेटवर किंवा 6 एच-एसआयसी, 15 आर- एसआयसी, 4 एच-एसआयसी सब्सट्रेट [11]. या प्रतिक्रियेचे तापमान सहसा 1300-1500 दरम्यान असते. सामान्य एसआय स्त्रोतांमध्ये एसआयएच 4, टीसीएस, एमटीएस इ. आणि सी स्त्रोतांमध्ये मुख्यतः सी 2 एच 4, सी 3 एच 8 इत्यादींचा समावेश आहे, एच ​​2 कॅरियर गॅस म्हणून. वाढीच्या प्रक्रियेमध्ये प्रामुख्याने खालील चरणांचा समावेश आहे: 1. गॅस फेज प्रतिक्रिया स्त्रोत मुख्य गॅस प्रवाहात जमा क्षेत्रामध्ये नेला जातो. 2. पातळ फिल्म पूर्ववर्ती आणि उप-उत्पादने तयार करण्यासाठी गॅस फेज प्रतिक्रिया सीमा थरात उद्भवते. 3. पूर्वसूचकांची पर्जन्यवृष्टी, शोषण आणि क्रॅकिंग प्रक्रिया. 4. सोर्सॉर्बेड अणू सब्सट्रेट पृष्ठभागावर स्थलांतर करतात आणि पुनर्रचना करतात. 5. सोर्सॉर्बेड अणू न्यूक्लियेट आणि सब्सट्रेट पृष्ठभागावर वाढतात. 6. मुख्य गॅस फ्लो झोनमध्ये प्रतिक्रियेनंतर कचरा वायूची वस्तुमान वाहतूक आणि प्रतिक्रिया चेंबरमधून बाहेर काढली जाते. आकृती 2 सीव्हीडी [12] चे एक योजनाबद्ध आकृती आहे.

आकृती 2 CVD चे योजनाबद्ध आकृती

सबलीमेशन एपिटॅक्सी (एसई) पद्धत: आकृती 3 3 सी-एसआयसी तयार करण्यासाठी एसई पद्धतीची एक प्रयोगात्मक रचना आकृती आहे. मुख्य चरण म्हणजे उच्च तापमान झोनमधील एसआयसी स्त्रोताचे विघटन आणि उदात्तता, सबलीमेट्सची वाहतूक आणि कमी तापमानात थर पृष्ठभागावरील सबलीमेट्सची प्रतिक्रिया आणि स्फटिकरुप. तपशील खालीलप्रमाणे आहेत: 6 एच-एसआयसी किंवा 4 एच-एसआयसी सब्सट्रेट क्रूसिबलच्या शीर्षस्थानी ठेवले आहे आणिउच्च-शुद्धता एसआयसी पावडरएसआयसी कच्चा माल म्हणून वापरला जातो आणि च्या 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.

सबलीमेशन एपिटॅक्सीचे फायदे प्रामुख्याने दोन पैलूंमध्ये आहेत: 1. एपिटॅक्सी तापमान जास्त आहे, ज्यामुळे क्रिस्टल दोष कमी होऊ शकतात; 2. अणू स्तरावर कोरलेली पृष्ठभाग मिळविण्यासाठी हे कोरले जाऊ शकते. तथापि, वाढीच्या प्रक्रियेदरम्यान, प्रतिक्रिया स्त्रोत समायोजित केला जाऊ शकत नाही आणि सिलिकॉन-कार्बन गुणोत्तर, वेळ, विविध प्रतिक्रिया अनुक्रम इत्यादी बदलता येणार नाहीत, परिणामी वाढीच्या प्रक्रियेच्या नियंत्रणीयतेत घट होते.

आकृती 3 वाढत्या 3 सी-एसआयसी एपिटॅक्सीसाठी एसई पद्धतीची योजनाबद्ध आकृती

आण्विक बीम एपिटॅक्सी (एमबीई) एक प्रगत पातळ फिल्म ग्रोथ तंत्रज्ञान आहे, जे 4 एच-एसआयसी किंवा 6 एच-एसआयसी सब्सट्रेट्सवर 3 सी-एसआयसी एपिटॅक्सियल थर वाढविण्यासाठी योग्य आहे. या पद्धतीचे मूलभूत तत्त्व आहेः अल्ट्रा-हाय व्हॅक्यूम वातावरणात, स्त्रोत वायूच्या अचूक नियंत्रणाद्वारे, वाढत्या एपिटॅक्सियल लेयरचे घटक गरम केले जातात ज्यामुळे एक दिशात्मक अणु बीम किंवा आण्विक बीम तयार होते एपिटॅक्सियल वाढ. वाढत्या 3 सी-एसआयसीसाठी सामान्य परिस्थितीएपिटॅक्सियल थर4H-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.

संदर्भः

[१] निशिनो एस, हजुकी वाय, मत्सुनामी एच, इत्यादी. सिलिकॉन सब्सट्रेटवर एकल क्रिस्टलीय β-सिंगल क्रिस्टलीय β-एसआयसी फिल्म्सचे रासायनिक वाष्प जमा, स्पटर्ड एसआयसी इंटरमीडिएट लेयर [जे]. इलेक्ट्रोकेमिकल सोसायटीचे जर्नल, 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. .

.

[]] सेकी के, अलेक्झांडर, कोझावा एस, इत्यादी. सोल्यूशन ग्रोथ [जे] मध्ये सुपरसॅटोरेशन कंट्रोलद्वारे एसआयसीची पॉलीटाइप-निवडक 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.

.

[]] हौ काईवेन.

[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] डोंग लिन.

[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.