3C-SiC-ren heteroepitaxia: ikuspegi orokorra

1. 3C-SiCren garapen historikoa

3C-SiC-ren garapenak, silizio-karburoaren politipo esanguratsu bat, material erdieroaleen zientziaren etengabeko aurrerapena islatzen du. 1980ko hamarkadan, Nishino et al. lehen aldiz, 4 μm-ko lodiera duen 3C-SiC filma lortu zuen siliziozko substratu batean lurrun-deposizio kimikoa (CVD)[1] erabiliz, 3C-SiC film meheen teknologiaren oinarriak ezarriz.

1990eko hamarkadak urrezko aroa izan zuen SiC ikerketarako. Cree Research Inc.-ek 6H-SiC eta 4H-SiC txipak 1991n eta 1994an, hurrenez hurren, merkaturatzeak bultzatu zuen SiC erdieroaleen gailuen merkaturatzea. Aurrerapen teknologiko honek 3C-SiCren ondorengo ikerketa eta aplikazioetarako oinarriak ezarri zituen.

mendearen hasieran, silizioan oinarritutako SiC filmek ere aurrerapen handia izan zuten Txinan. Ye Zhizhen et al. 2002an SiC filmak fabrikatu zituzten silizioko substratuetan CVD erabiliz tenperatura baxuetan[2], An Xia et al. antzeko emaitzak lortu zituen magnetron sputtering giro-tenperaturan 2001ean[3].

Hala ere, Si eta SiC arteko sare-desegokitasunak (% 20 gutxi gorabehera) akats-dentsitate handia ekarri zuen 3C-SiC geruza epitaxialean, bereziki posizionamendu-muga bikoitzak (DPB). Hori arintzeko, ikertzaileek 6H-SiC, 15R-SiC edo 4H-SiC bezalako (0001) orientazioarekin 3C-SiC geruza epitaxialak hazteko substratuen aldeko apustua egin zuten, horrela akatsen dentsitatea murriztuz. Esaterako, 2012an, Seki, Kazuaki et al. polimorfismo zinetikoa kontrolatzeko teknika proposatu zuen, 6H-SiC(0001) hazietan 3C-SiC eta 6H-SiC-en hazkuntza selektiboa lortuz gainsaturazioa kontrolatuz[4-5]. 2023an, Xun Li et al. DPBrik gabeko 3C-SiC geruza epitaxial leunak arrakastaz lortu zituen 4H-SiC substratuetan CVD hazkunde optimizatua erabiliz, 14 μm/h-ko abiadurarekin [6].

2. Kristalaren egitura eta 3C-SiCren aplikazioak

SiC politipo ugarien artean, 3C-SiC, β-SiC izenez ere ezaguna, politipo kubiko bakarra da. Egitura kristalino honetan, Si eta C atomoak bat-bateko erlazioan daude, eta lotura kobalente sendoak dituen zelula unitate tetraedriko bat osatzen dute. Egituraren ezaugarria da ABC-ABC-... sekuentzia batean antolatutako Si-C geruza bikoitzak, eta zelula unitate bakoitzak halako hiru geruza ditu, C3 notazioaz adierazita. 1. irudiak 3C-SiC-ren kristalaren egitura erakusten du.

                                                                                                                                                                           1. Irudia. 3C-SiC-ren kristal-egitura

Gaur egun, silizioa (Si) da energia-gailuetarako gehien erabiltzen den material erdieroalea. Hala ere, berezko mugek bere errendimendua mugatzen dute. 4H-SiC eta 6H-SiC-ekin alderatuta, 3C-SiC-k elektroien mugikortasun teoriko handiena du giro-tenperaturan (1000 cm2·V-1·s-1), MOSFET aplikazioetarako abantailatsuagoa da. Gainera, bere matxura-tentsio handia, eroankortasun termiko bikaina, gogortasun handia, banda zabala, tenperatura altuko erresistentzia eta erradiazio-erresistentzia 3C-SiC oso itxaropentsua da elektronika, optoelektronika, sentsore eta muturreko inguruneetarako aplikazioetarako:

Potentzia handiko, maiztasun handiko eta tenperatura altuko aplikazioak: 3C-SiC-en matxura-tentsio altuak eta elektroien mugikortasun handiari esker, ezin hobea da MOSFETak bezalako potentzia-gailuak fabrikatzeko, bereziki ingurune zorrotzetan[7].

Nanoelektronika eta Sistema Mikroelektromekanikoak (MEMS): Silizioaren teknologiarekin duen bateragarritasunak nanoeskalako egiturak fabrikatzeko aukera ematen du, nanoelektronikan eta MEMS gailuetan aplikazioak ahalbidetuz[8].

Optoelektronika:Banda zabaleko material erdieroale gisa, 3C-SiC egokia da argi-igorle urdineko diodoetarako (LED). Bere argi-eraginkortasun handia eta dopatzeko erraztasunari esker, erakargarria da argiztapen, pantaila-teknologi eta laserretarako aplikazioetarako[9].

Sentsoreak:3C-SiC posizio-sentsikorra den detektagailuetan erabiltzen da, batez ere laser-puntuan posizio-sentsikorra den detektagailuetan alboko efektu fotovoltaikoan oinarrituta. Detektagailu hauek sentsibilitate handia erakusten dute zero alborapen baldintzetan, doitasunez kokatzea aplikazioetarako egokiak direlarik[10].

3. 3C-SiC heteroepitaxia prestatzeko metodoak

3C-SiC heteroepitaxirako ohiko metodoak lurrun-deposizio kimikoa (CVD), sublimazio epitaxia (SE), fase likidoaren epitaxia (LPE), izpi molekularra epitaxia (MBE) eta magnetron sputtering dira. CVD 3C-SiC epitaxirako metodo hobetsia da tenperaturari, gas-fluxuari, ganberaren presioari eta erreakzio-denborari dagokionez duen kontrolagarritasuna eta moldagarritasuna dela eta, geruza epitaxialaren kalitatea optimizatu ahal izateko.

Lurrun-deposizio kimikoa (CVD):Si eta C duten konposatu gaseosoak erreakzio-ganbera batean sartzen dira eta tenperatura altuetara berotzen dira, haien deskonposizioa eraginez. Ondoren, Si eta C atomoak substratu batean metatzen dira, normalean Si, 6H-SiC, 15R-SiC edo 4H-SiC [11]. Erreakzio hau normalean 1300-1500 °C artean gertatzen da. Si-iturri arruntak SiH4, TCS eta MTS dira, eta C iturriak batez ere C2H4 eta C3H8 dira, H2 gas garraiolari gisa. 2. irudiak CVD prozesuaren eskema bat irudikatzen du[12].

                                                                                                                                                               2. irudia. CVD prozesuaren eskema

Sublimazio Epitaxia (SE):Metodo honetan, 6H-SiC edo 4H-SiC substratu bat jartzen da arrago baten goiko aldean, behealdean purutasun handiko SiC hautsa iturburu-material gisa. Arragoa 1900-2100 °C-ra berotzen da irrati-maiztasunaren indukzio bidez, substratuaren tenperatura iturriaren tenperatura baino baxuago mantenduz tenperatura-gradiente axiala sortzeko. Horri esker, SiC sublimatua substratuan kondentsatu eta kristaliza daiteke, 3C-SiC heteroepitaxia eratuz.

Sortu Molekularra Epitaxia (MBE):Film mehe-hazkuntza-teknika aurreratu hau egokia da 3C-SiC geruza epitaxialak 4H-SiC edo 6H-SiC substratuetan hazteko. Oso hutsean, iturburuko gasen kontrol zehatzak aukera ematen du elementu osagaien habe atomiko edo molekularrak eratzea. Izpi hauek berotutako substratuaren gainazalerantz zuzentzen dira hazkuntza epitaxialerako.

4. Ondorioa eta Aurreikuspenak

Etengabeko aurrerapen teknologikoekin eta azterketa mekaniko sakonekin, 3C-SiC heteroepitaxia erdieroaleen industrian gero eta paper garrantzitsuagoa izateko prest dago, energia-eraginkortasuneko gailu elektronikoen garapena bultzatuz. Hazkuntza-teknika berriak aztertzea, hala nola, HCl atmosferak sartzea hazkuntza-tasa hobetzeko, akatsen dentsitate baxuak mantenduz, etorkizuneko ikerketarako bide itxaropentsua da. Akatsak sortzeko mekanismoak eta karakterizazio teknika aurreratuak garatzeak akatsen kontrol zehatza eta materialaren propietate optimizatuak ahalbidetuko ditu. Kalitate handiko 3C-SiC film lodien hazkunde azkarra funtsezkoa da tentsio handiko gailuen eskaerei erantzuteko, eta ikerketa gehiago behar dira hazkunde-tasa eta materialaren uniformetasunaren arteko oreka zuzentzeko. SiC/GaN bezalako heteroegituretan 3C-SiC-ren aplikazioak aprobetxatuz, guztiz esploratu daiteke potentzia-elektronika, integrazio optoelektronikoa eta informazio kuantikoa bezalako gailu berrietan duen potentziala.

Erreferentziak:

[1] Nishino S , Hazuki Y , Matsunami H ,et al. Chemical Vapor Deposition of Single Crystalline β-SiC Films on Silicon Substrate with Sputtered SiC Intermediate Layer[J].Journal of The Electrochemical Society, 1980, 127(12):2674-2680.

[2] Ye Zhizhen, Wang Yadong, Huang Jingyun, eta silizioan oinarritutako siliziozko karburozko film meheen tenperatura baxuko hazkuntzari buruzko ikerketa [J Journal of Vacuum Science and Technology, 2002, 022(001): 58-60]. .

[3] An Xia, Zhuang Huizhao, Li Huaixiang, et al. Preparation of nano-SiC thin films by magnetron sputtering on (111) Si substratu [J Shandong Normal University: Natural Science Edition, 2001: 382-384]. ..

[4] Seki K, Alexander, Kozawa S, et al. SiC-ren hazkuntza politipo-selektiboa disoluzioaren hazkuntzan gainsaturazioaren kontrolaren bidez[J]. Kristalaren Hazkundearen Aldizkaria, 2012, 360: 176-180.

[5] Chen Yao, Zhao Fuqiang, Zhu Bingxian, He Shuai Siliziozko karburoko gailuen garapenaren ikuspegi orokorra [J], 2020: 49-54.

[6] Li X , Wang G .CVD 3C-SiC layers on 4H-SiC substratu on morfologia hobetua [J].Solid State Communications, 2023:371.

[7] Hou Kaiwen Si modelatutako substratuari buruzko ikerketa eta 3C-SiC hazkundean [D Xi'an University of Technology, 2018].

[8]Lars, Hiller, Thomas, et al. Hydrogen Effects in ECR-Etching of 3C-SiC(100) Mesa Structures[J].Materials Science Forum, 2014.

[9] Xu Qingfang 3C-SiC film meheen prestaketa laser lurrun-deposizio kimikoen bidez [D Wuhan University of Technology, 2016].

[10] Foisal A R M , Nguyen T , Dinh T K ,et al.3C-SiC/Si Heterostructure: An Excellent Platform for Photovoltaic Effect on Based on Position-Sensitive Detector [J].ACS Applied Materials & Interfaces, 2019: 40980-40987.

[11] Xin Bin 3C/4H-SiC hazkunde heteroepitaxiala CVD prozesuan oinarrituta: akatsen karakterizazioa eta eboluzioa [D].

[12] Dong Lin eremu handiko obleen hazkuntza epitaxialaren teknologia eta silizio-karburoaren ezaugarri fisikoak [D] Txinako Zientzien Akademia, 2014.

[13] Diani M , Simon L , Kubler L ,et al. 3C-SiC politipoaren kristal-hazkundea 6H-SiC(0001) substratuan [J]. Journal of Crystal Growth, 2002, 235(1):95-102.