تاريخ تطور 3C SiC

كشكل مهم منكربيد السيليكون، تاريخ تطور3C-سيCيعكس التقدم المستمر لعلم مواد أشباه الموصلات. في الثمانينات، نيشينو وآخرون. تم الحصول لأول مرة على أغشية رقيقة من 4um 3C-SiC على ركائز السيليكون عن طريق ترسيب البخار الكيميائي (CVD) [1]، مما وضع الأساس لتقنية الأغشية الرقيقة 3C-SiC.

كانت فترة التسعينيات هي العصر الذهبي لأبحاث SiC. أطلقت شركة Cree Research Inc. رقائق 6H-SiC و4H-SiC في عامي 1991 و1994 على التوالي، لترويج تسويقأجهزة أشباه الموصلات SiC. لقد وضع التقدم التكنولوجي خلال هذه الفترة الأساس للبحث والتطبيق اللاحق لـ 3C-SiC.

في أوائل القرن الحادي والعشرين،الأغشية الرقيقة المصنوعة من السيليكون القائمة على السيليكونكما تطورت إلى حد ما. يي Zhizhen وآخرون. تم تحضير أغشية رقيقة من SiC قائمة على السيليكون بواسطة CVD تحت ظروف درجات الحرارة المنخفضة في عام 2002 [2]. في عام 2001، آن شيا وآخرون. تم تحضير أغشية رقيقة من SiC قائمة على السيليكون بواسطة رش المغنطرون في درجة حرارة الغرفة [3].

ومع ذلك، نظرًا للاختلاف الكبير بين ثابت الشبكة لـ Si وSiC (حوالي 20٪)، فإن كثافة الخلل في الطبقة الفوقية 3C-SiC مرتفعة نسبيًا، خاصة العيب المزدوج مثل DPB. من أجل تقليل عدم تطابق الشبكة، يستخدم الباحثون 6H-SiC أو 15R-SiC أو 4H-SiC على السطح (0001) كركيزة لتنمية الطبقة الفوقية 3C-SiC وتقليل كثافة الخلل. على سبيل المثال، في عام 2012، سيكي، كازواكي وآخرون. اقترح تقنية التحكم الديناميكي متعدد الأشكال، والتي تحقق النمو الانتقائي متعدد الأشكال لـ 3C-SiC و6H-SiC على البذور السطحية 6H-SiC (0001) من خلال التحكم في التشبع الفائق [4-5]. في عام 2023، استخدم باحثون مثل Xun Li طريقة CVD لتحسين النمو والعملية، ونجحوا في الحصول على 3C-SiC السلسالطبقة الفوقيةمع عدم وجود عيوب DPB على السطح على ركيزة 4H-SiC بمعدل نمو 14 ميكرومتر / ساعة [6].

البنية البلورية ومجالات التطبيق لـ 3C SiC

من بين العديد من الأنواع المتعددة SiCD، 3C-SiC هو النوع المتعدد المكعب الوحيد، المعروف أيضًا باسم β-SiC. في هذا التركيب البلوري، تتواجد ذرات Si وC بنسبة واحد إلى واحد في الشبكة، وكل ذرة محاطة بأربع ذرات غير متجانسة، وتشكل وحدة هيكلية رباعية السطوح ذات روابط تساهمية قوية. السمة الهيكلية لـ 3C-SiC هي أن الطبقات ثنائية الذرة Si-C يتم ترتيبها بشكل متكرر بترتيب ABC-ABC-...، وتحتوي كل خلية وحدة على ثلاث طبقات ثنائية الذرة، وهو ما يسمى تمثيل C3؛ يظهر التركيب البلوري لـ 3C-SiC في الشكل أدناه:

الشكل 1: التركيب البلوري لـ 3C-SiC

حاليًا، يعد السيليكون (Si) هو مادة أشباه الموصلات الأكثر استخدامًا لأجهزة الطاقة. ومع ذلك، نظرًا لأداء Si، فإن أجهزة الطاقة المعتمدة على السيليكون محدودة. بالمقارنة مع 4H-SiC و6H-SiC، يتمتع 3C-SiC بأعلى حركة إلكترونية نظرية في درجة حرارة الغرفة (1000 سم·V-1·S-1)، وله مزايا أكثر في تطبيقات أجهزة MOS. في الوقت نفسه، يتمتع 3C-SiC أيضًا بخصائص ممتازة مثل جهد الانهيار العالي، والتوصيل الحراري الجيد، والصلابة العالية، وفجوة النطاق الواسعة، ومقاومة درجات الحرارة العالية، ومقاومة الإشعاع. لذلك، لديها إمكانات كبيرة في مجال الإلكترونيات والإلكترونيات الضوئية وأجهزة الاستشعار والتطبيقات في ظل الظروف القاسية، مما يعزز تطوير وابتكار التقنيات ذات الصلة، ويظهر إمكانات تطبيق واسعة في العديد من المجالات:

أولاً: خاصة في بيئات الجهد العالي والتردد العالي ودرجات الحرارة المرتفعة، فإن جهد الانهيار العالي وحركة الإلكترون العالية لـ 3C-SiC يجعلها خيارًا مثاليًا لتصنيع أجهزة الطاقة مثل MOSFET [7]. ثانيًا: يستفيد تطبيق 3C-SiC في الإلكترونيات النانوية والأنظمة الكهروميكانيكية الدقيقة (MEMS) من توافقه مع تكنولوجيا السيليكون، مما يسمح بتصنيع هياكل نانوية مثل الإلكترونيات النانوية والأجهزة الكهروميكانيكية النانوية [8]. ثالثًا: باعتبارها مادة شبه موصلة ذات فجوة نطاق واسعة، فإن 3C-SiC مناسبة لتصنيعهاالثنائيات الباعثة للضوء الأزرق(المصابيح). وقد جذب تطبيقه في الإضاءة وتكنولوجيا العرض والليزر الانتباه بسبب كفاءته المضيئة العالية وسهولة تعاطي المنشطات [9]. رابعا: في الوقت نفسه، يتم استخدام 3C-SiC لتصنيع أجهزة الكشف الحساسة للموضع، وخاصة أجهزة الكشف الحساسة للموضع بنقطة الليزر والتي تعتمد على التأثير الكهروضوئي الجانبي، والتي تظهر حساسية عالية تحت ظروف الانحياز الصفري وتكون مناسبة لتحديد المواقع بدقة [10] .

3. طريقة تحضير 3C SiC heteroepitaxy

تشمل طرق النمو الرئيسية لـ 3C-SiC heteroepitaxyترسيب البخار الكيميائي (CVD), تنضيد التسامي (SE), تنضيد الطور السائل (LPE)، تنضيد الشعاع الجزيئي (MBE)، رش المغنطرون، إلخ. CVD هي الطريقة المفضلة لنضوح 3C-SiC نظرًا لقدرته على التحكم والقدرة على التكيف (مثل درجة الحرارة وتدفق الغاز وضغط الغرفة ووقت التفاعل، مما يمكنه تحسين جودة الطبقة الفوقية).

ترسيب البخار الكيميائي (CVD): يتم تمرير غاز مركب يحتوي على عناصر Si وC إلى غرفة التفاعل، ويتم تسخينه وتحلله عند درجة حرارة عالية، ثم يتم ترسيب ذرات Si وذرات C على الركيزة Si، أو 6H-SiC، 15R- ركيزة SiC، 4H-SiC [11]. تتراوح درجة حرارة هذا التفاعل عادة بين 1300-1500 درجة مئوية. تشمل مصادر Si الشائعة SiH4، وTCS، وMTS، وما إلى ذلك، وتشمل مصادر C بشكل أساسي C2H4، وC3H8، وما إلى ذلك، مع H2 كغاز حامل. تتضمن عملية النمو بشكل أساسي الخطوات التالية: 1. يتم نقل مصدر تفاعل الطور الغازي إلى منطقة الترسيب في تدفق الغاز الرئيسي. 2. يحدث تفاعل الطور الغازي في الطبقة الحدودية لتوليد سلائف الأغشية الرقيقة والمنتجات الثانوية. 3. عملية الترسيب والامتزاز والتكسير للسلائف. 4. تهاجر الذرات الممتزة وتعيد البناء على سطح الركيزة. 5. تتنوى الذرات الممتزة وتنمو على سطح الركيزة. 6. يتم نقل الغاز العادم بكميات كبيرة بعد التفاعل إلى منطقة تدفق الغاز الرئيسية ويتم إخراجه من غرفة التفاعل. الشكل 2 هو رسم تخطيطي للأمراض القلبية الوعائية [12].

Figure 2 Schematic diagram of CVD

طريقة تنضيد التسامي (SE): الشكل 3 هو مخطط هيكلي تجريبي لطريقة SE لتحضير 3C-SiC. الخطوات الرئيسية هي تحلل وتسامي مصدر SiC في منطقة درجة الحرارة المرتفعة، ونقل التساميات، وتفاعل وتبلور التساميت على سطح الركيزة عند درجة حرارة أقل. التفاصيل هي كما يلي: يتم وضع الركيزة 6H-SiC أو 4H-SiC على الجزء العلوي من البوتقة، ومسحوق SiC عالي النقاءيتم استخدامه كمواد خام SiC ويتم وضعه في الجزء السفلي منبوتقة الجرافيت. يتم تسخين البوتقة إلى 1900-2100 درجة مئوية عن طريق تحريض التردد اللاسلكي، ويتم التحكم في درجة حرارة الركيزة لتكون أقل من مصدر SiC، مما يشكل تدرجًا في درجة الحرارة المحورية داخل البوتقة، بحيث يمكن لمادة SiC المتسامية أن تتكثف وتتبلور على الركيزة لتشكيل 3C-SiC متغاير المحور.

تتمثل مزايا النضوج التسامي بشكل أساسي في جانبين: 1. درجة حرارة النضوج مرتفعة، مما يمكن أن يقلل من العيوب البلورية؛ 2. يمكن حفره للحصول على سطح محفور على المستوى الذري. ومع ذلك، أثناء عملية النمو، لا يمكن تعديل مصدر التفاعل، ولا يمكن تغيير نسبة السيليكون إلى الكربون، والوقت، وتسلسلات التفاعل المختلفة، وما إلى ذلك، مما يؤدي إلى انخفاض في إمكانية التحكم في عملية النمو.

الشكل 3: رسم تخطيطي لطريقة SE لتنمية النضوج 3C-SiC

إن تنضيد الشعاع الجزيئي (MBE) عبارة عن تقنية متقدمة لنمو الأغشية الرقيقة، وهي مناسبة لزراعة الطبقات الفوقية 3C-SiC على ركائز 4H-SiC أو 6H-SiC. المبدأ الأساسي لهذه الطريقة هو: في بيئة فراغ عالية للغاية، من خلال التحكم الدقيق في الغاز المصدر، يتم تسخين عناصر الطبقة الفوقية المتنامية لتشكيل شعاع ذري اتجاهي أو شعاع جزيئي ويسقط على سطح الركيزة الساخن النمو الفوقي. الشروط المشتركة لنمو 3C-SiCالطبقات الفوقيةعلى ركائز 4H-SiC أو 6H-SiC: في ظل ظروف غنية بالسيليكون، يتم تحفيز مصادر الجرافين والكربون النقي إلى مواد غازية باستخدام مسدس إلكترون، ويتم استخدام 1200-1350 درجة مئوية كدرجة حرارة التفاعل. يمكن الحصول على نمو غير متجانس 3C-SiC بمعدل نمو قدره 0.01-0.1 نانومتر-1 [13].

الاستنتاج والتوقعات

من خلال التقدم التكنولوجي المستمر والأبحاث الآلية المتعمقة، من المتوقع أن تلعب تقنية 3C-SiC ذات المحورين المتغاير دورًا أكثر أهمية في صناعة أشباه الموصلات وتعزيز تطوير الأجهزة الإلكترونية عالية الكفاءة. على سبيل المثال، الاستمرار في استكشاف تقنيات واستراتيجيات النمو الجديدة، مثل إدخال جو حمض الهيدروكلوريك لزيادة معدل النمو مع الحفاظ على كثافة العيوب المنخفضة، هو اتجاه البحوث المستقبلية؛ بحث متعمق حول آلية تكوين العيوب، وتطوير تقنيات توصيف أكثر تقدمًا، مثل التألق الضوئي وتحليل التألق الكاثودي، لتحقيق تحكم أكثر دقة في العيوب وتحسين خصائص المواد؛ النمو السريع للفيلم السميك عالي الجودة 3C-SiC هو المفتاح لتلبية احتياجات الأجهزة ذات الجهد العالي، وهناك حاجة إلى مزيد من البحث للتغلب على التوازن بين معدل النمو وتوحيد المواد؛ جنبًا إلى جنب مع تطبيق 3C-SiC في الهياكل غير المتجانسة مثل SiC/GaN، واستكشاف تطبيقاته المحتملة في الأجهزة الجديدة مثل إلكترونيات الطاقة والتكامل الإلكتروني البصري ومعالجة المعلومات الكمومية.

مراجع:

[1] نيشينو إس، هازوكي واي، ماتسوامي إتش، وآخرون. ترسيب البخار الكيميائي لأفلام β-SiC البلورية المفردة على ركيزة السيليكون مع طبقة متوسطة من SiC المرقطة [J]. مجلة الجمعية الكهروكيميائية، 1980، 127(12):2674-2680.

[2] يي زيزين، وانغ يادونغ، هوانغ جينغيون، وآخرون. بحث حول النمو في درجات الحرارة المنخفضة للأغشية الرقيقة من كربيد السيليكون [J]. مجلة علوم وتكنولوجيا الفراغ، 2002، 022(001):58-60 .

[3] An Xia, Zhuang Huizhao, Li Huaixiang, et al. تحضير أغشية رقيقة من كربيد النانو بواسطة رش المغنطرون على (111) ركيزة Si [J]. مجلة جامعة شاندونغ العادية: إصدار العلوم الطبيعية، 2001: 382-384 ..

[4] سيكي ك، ألكسندر، كوزاوا إس، وآخرون. النمو الانتقائي للأنواع المتعددة من SiC عن طريق التحكم في التشبع الفائق في نمو المحلول [J]. مجلة النمو البلوري، 2012، 360: 176-180.

[5] تشين ياو، تشاو فوكيانغ، تشو بينج شيان، هي شواي نظرة عامة على تطوير أجهزة طاقة كربيد السيليكون في الداخل والخارج [J].

[6] Li X، Wang G. نمو CVD لطبقات 3C-SiC على ركائز 4H-SiC مع مورفولوجيا محسنة[J].اتصالات الحالة الصلبة، 2023:371.

[7] هوى كايوين بحث عن الركيزة المنقوشة من مادة Si وتطبيقها في نمو 3C-SiC [D]، جامعة شيان للتكنولوجيا، 2018.

[8] لارس، هيلر، توماس، وآخرون. تأثيرات الهيدروجين في نقش ECR لهياكل ميسا 3C-SiC(100) [J]. منتدى علوم المواد، 2014.

[9] شو تشينغ فانغ. تحضير الأغشية الرقيقة 3C-SiC بواسطة ترسيب البخار الكيميائي بالليزر [D]، جامعة ووهان للتكنولوجيا، 2016.

[10] Foisal ARM , Nguyen T , Dinh T K ,et al.3C-SiC/Si Heterostructure: منصة ممتازة للكاشفات الحساسة للموضع بناءً على التأثير الكهروضوئي[J].ACS Applied Materials & Interfaces, 2019: 40980-40987.

[11] شين بن. النمو الفوقي المحوري 3C/4H-SiC بناءً على عملية الأمراض القلبية الوعائية: توصيف الخلل وتطوره [D].

[12] دونغ لين. تكنولوجيا النمو الفوقي متعدد الرقائق ذات مساحة كبيرة وتوصيف الخصائص الفيزيائية لكربيد السيليكون [D].

[13] دياني إم، سيمون إل، كوبلر إل، وآخرون. نمو بلوري للأنواع المتعددة 3C-SiC على الركيزة 6H-SiC(0001) [J]. مجلة النمو البلوري، 2002، 235(1):95-102.