Lịch sử phát triển của 3C SiC

Là một hình thức quan trọng củacacbua silic, lịch sử phát triển của3C-SiCphản ánh sự tiến bộ không ngừng của khoa học vật liệu bán dẫn. Vào những năm 1980, Nishino và cộng sự. lần đầu tiên thu được màng mỏng 4um 3C-SiC trên đế silicon bằng phương pháp lắng đọng hơi hóa học (CVD) [1], đặt nền móng cho công nghệ màng mỏng 3C-SiC.

Những năm 1990 là thời kỳ hoàng kim của nghiên cứu SiC. Cree Research Inc. lần lượt tung ra chip 6H-SiC và 4H-SiC vào năm 1991 và 1994, thúc đẩy thương mại hóa chipThiết bị bán dẫn SiC. Tiến bộ công nghệ trong giai đoạn này đã đặt nền móng cho nghiên cứu và ứng dụng 3C-SiC tiếp theo.

Vào đầu thế kỷ 21,màng mỏng SiC gốc silicon trong nướccũng phát triển ở mức độ nhất định. Ye Zhizhen và cộng sự. màng mỏng SiC dựa trên silicon được chuẩn bị bằng CVD trong điều kiện nhiệt độ thấp vào năm 2002 [2]. Năm 2001, An Xia và cộng sự. màng mỏng SiC dựa trên silicon được chế tạo bằng phương pháp phún xạ magnetron ở nhiệt độ phòng [3].

Tuy nhiên, do có sự chênh lệch lớn giữa hằng số mạng của Si và SiC (khoảng 20%) nên mật độ khuyết tật của lớp epitaxy 3C-SiC tương đối cao, đặc biệt là khuyết tật kép như DPB. Để giảm sự không khớp mạng, các nhà nghiên cứu sử dụng 6H-SiC, 15R-SiC hoặc 4H-SiC trên bề mặt (0001) làm chất nền để phát triển lớp epiticular 3C-SiC và giảm mật độ khuyết tật. Ví dụ, năm 2012, Seki, Kazuaki và cộng sự. đề xuất công nghệ điều khiển epitaxy đa hình động, thực hiện sự tăng trưởng chọn lọc đa hình của 3C-SiC và 6H-SiC trên hạt giống bề mặt 6H-SiC (0001) bằng cách kiểm soát quá trình siêu bão hòa [4-5]. Vào năm 2023, các nhà nghiên cứu như Xun Li đã sử dụng phương pháp CVD để tối ưu hóa quá trình tăng trưởng và xử lý, đồng thời thu được thành công 3C-SiC trơn trulớp epitaxykhông có khuyết tật DPB trên bề mặt trên chất nền 4H-SiC với tốc độ tăng trưởng 14um/h [6].

Cấu trúc tinh thể và các lĩnh vực ứng dụng của 3C SiC

Trong số nhiều polytype SiCD, 3C-SiC là polytype khối duy nhất, còn được gọi là β-SiC. Trong cấu trúc tinh thể này, các nguyên tử Si và C tồn tại theo tỷ lệ một-một trong mạng và mỗi nguyên tử được bao quanh bởi bốn nguyên tử không đồng nhất, tạo thành một đơn vị cấu trúc tứ diện có liên kết cộng hóa trị mạnh. Đặc điểm cấu trúc của 3C-SiC là các lớp diatomic Si-C được sắp xếp lặp đi lặp lại theo thứ tự ABC-ABC-…, và mỗi ô đơn vị chứa ba lớp diatomic như vậy, được gọi là biểu diễn C3; cấu trúc tinh thể của 3C-SiC được thể hiện trong hình dưới đây:

Hình 1 Cấu trúc tinh thể của 3C-SiC

Hiện nay, silicon (Si) là vật liệu bán dẫn được sử dụng phổ biến nhất cho các thiết bị điện. Tuy nhiên, do hiệu suất của Si nên các thiết bị năng lượng dựa trên silicon bị hạn chế. So với 4H-SiC và 6H-SiC, 3C-SiC có độ linh động điện tử lý thuyết ở nhiệt độ phòng cao nhất (1000 cm·V-1·S-1) và có nhiều ưu điểm hơn trong các ứng dụng thiết bị MOS. Đồng thời, 3C-SiC còn có các đặc tính tuyệt vời như điện áp đánh thủng cao, độ dẫn nhiệt tốt, độ cứng cao, dải tần rộng, khả năng chịu nhiệt độ cao và khả năng chống bức xạ. Do đó, nó có tiềm năng lớn trong điện tử, quang điện tử, cảm biến và ứng dụng trong điều kiện khắc nghiệt, thúc đẩy sự phát triển và đổi mới các công nghệ liên quan và cho thấy tiềm năng ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực:

Thứ nhất: Đặc biệt trong môi trường điện áp cao, tần số cao và nhiệt độ cao, điện áp đánh thủng cao và độ linh động điện tử cao của 3C-SiC khiến nó trở thành lựa chọn lý tưởng để sản xuất các thiết bị điện như MOSFET [7]. Thứ hai: Việc ứng dụng 3C-SiC trong các hệ thống điện tử nano và vi cơ điện tử (MEMS) được hưởng lợi từ khả năng tương thích của nó với công nghệ silicon, cho phép chế tạo các cấu trúc có kích thước nano như thiết bị điện tử nano và các thiết bị cơ điện tử nano [8]. Thứ ba: Là vật liệu bán dẫn có dải thông rộng, 3C-SiC thích hợp để sản xuấtđiốt phát sáng màu xanh(đèn LED). Ứng dụng của nó trong chiếu sáng, công nghệ hiển thị và laser đã thu hút sự chú ý do hiệu suất phát sáng cao và dễ pha tạp [9]. Thứ tư: Đồng thời, 3C-SiC được sử dụng để chế tạo các máy dò vị trí nhạy cảm, đặc biệt là các máy dò vị trí điểm laser dựa trên hiệu ứng quang điện ngang, cho thấy độ nhạy cao trong điều kiện sai lệch bằng 0 và phù hợp để định vị chính xác [10] .

3. Phương pháp bào chế 3C SiC Heterepitaxy

Các phương pháp tăng trưởng chính của dị thể 3C-SiC bao gồmlắng đọng hơi hóa học (CVD), epitaxy thăng hoa (SE), epitaxy pha lỏng (LPE), epit Wax chùm phân tử (MBE), phún xạ magnetron, v.v. CVD là phương pháp ưa thích cho epit Wax 3C-SiC do khả năng kiểm soát và khả năng thích ứng của nó (như nhiệt độ, lưu lượng khí, áp suất buồng và thời gian phản ứng, có thể tối ưu hóa chất lượng của lớp epitaxy).

Lắng đọng hơi hóa học (CVD): Một khí hỗn hợp chứa các nguyên tố Si và C được đưa vào buồng phản ứng, được nung nóng và phân hủy ở nhiệt độ cao, sau đó nguyên tử Si và nguyên tử C kết tủa trên đế Si, hay 6H-SiC, 15R- Chất nền SiC, 4H-SiC [11]. Nhiệt độ của phản ứng này thường nằm trong khoảng 1300-1500oC. Các nguồn Si phổ biến bao gồm SiH4, TCS, MTS, v.v. và các nguồn C chủ yếu bao gồm C2H4, C3H8, v.v., với H2 là khí mang. Quá trình tăng trưởng chủ yếu bao gồm các bước sau: 1. Nguồn phản ứng pha khí được vận chuyển đến vùng lắng đọng trong dòng khí chính. 2. Phản ứng pha khí xảy ra ở lớp biên để tạo ra tiền chất và sản phẩm phụ dạng màng mỏng. 3. Quá trình kết tủa, hấp phụ và crackinh của tiền chất. 4. Các nguyên tử bị hấp phụ di chuyển và tái tạo trên bề mặt chất nền. 5. Các nguyên tử bị hấp phụ tạo mầm và phát triển trên bề mặt chất nền. 6. Quá trình vận chuyển khối lượng khí thải sau phản ứng vào vùng dòng khí chính và được đưa ra khỏi buồng phản ứng. Hình 2 là sơ đồ của CVD [12].

Hình 2 Sơ đồ CVD

Phương pháp epit Wax thăng hoa (SE): Hình 3 là sơ đồ cấu trúc thử nghiệm của phương pháp SE để điều chế 3C-SiC. Các bước chính là phân hủy và thăng hoa của nguồn SiC ở vùng nhiệt độ cao, vận chuyển các chất thăng hoa cũng như phản ứng và kết tinh các chất thăng hoa trên bề mặt chất nền ở nhiệt độ thấp hơn. Chi tiết như sau: Chất nền 6H-SiC hoặc 4H-SiC được đặt trên đỉnh nồi nấu kim loại, vàbột SiC có độ tinh khiết caođược sử dụng làm nguyên liệu thô SiC và được đặt ở đáy củanồi nấu bằng than chì. Nồi nấu kim loại được làm nóng đến 1900-2100oC bằng cảm ứng tần số vô tuyến và nhiệt độ cơ chất được kiểm soát thấp hơn nguồn SiC, tạo thành một gradient nhiệt độ dọc trục bên trong nồi nấu kim loại, để vật liệu SiC thăng hoa có thể ngưng tụ và kết tinh trên đế để tạo thành dị epiticular 3C-SiC.

Ưu điểm của epit Wax thăng hoa chủ yếu ở hai khía cạnh: 1. Nhiệt độ epit Wax cao, có thể làm giảm các khuyết tật tinh thể; 2. Nó có thể được khắc để đạt được bề mặt khắc ở cấp độ nguyên tử. Tuy nhiên, trong quá trình tăng trưởng, nguồn phản ứng không thể được điều chỉnh và tỷ lệ silicon-carbon, thời gian, các trình tự phản ứng khác nhau, v.v. không thể thay đổi, dẫn đến giảm khả năng kiểm soát của quá trình tăng trưởng.

Hình 3 Sơ đồ phương pháp SE để nuôi cấy epitaxy 3C-SiC

Epitaxy chùm phân tử (MBE) là công nghệ tăng trưởng màng mỏng tiên tiến, phù hợp để nuôi các lớp epiticular 3C-SiC trên đế 4H-SiC hoặc 6H-SiC. Nguyên tắc cơ bản của phương pháp này là: trong môi trường chân không cực cao, thông qua việc kiểm soát chính xác nguồn khí, các phần tử của lớp epitaxy đang phát triển được nung nóng để tạo thành chùm nguyên tử hoặc chùm phân tử định hướng và chiếu tới bề mặt chất nền được nung nóng trong tăng trưởng epiticular. Các điều kiện chung để trồng 3C-SiClớp epiticulartrên các chất nền 4H-SiC hoặc 6H-SiC là: trong điều kiện giàu silicon, các nguồn graphene và carbon nguyên chất được kích thích thành các chất khí bằng súng điện tử và 1200-1350oC được sử dụng làm nhiệt độ phản ứng. Sự tăng trưởng dị vòng 3C-SiC có thể đạt được ở tốc độ tăng trưởng 0,01-0,1 nms-1 [13].

Kết luận và triển vọng

Thông qua tiến bộ công nghệ liên tục và nghiên cứu cơ chế chuyên sâu, công nghệ dị vòng 3C-SiC dự kiến ​​sẽ đóng vai trò quan trọng hơn trong ngành bán dẫn và thúc đẩy sự phát triển của các thiết bị điện tử hiệu suất cao. Ví dụ, tiếp tục khám phá các kỹ thuật và chiến lược tăng trưởng mới, chẳng hạn như đưa khí quyển HCl vào để tăng tốc độ tăng trưởng trong khi vẫn duy trì mật độ khuyết tật thấp, là hướng nghiên cứu trong tương lai; nghiên cứu chuyên sâu về cơ chế hình thành khuyết tật và phát triển các kỹ thuật mô tả đặc tính tiên tiến hơn, chẳng hạn như phân tích phát quang và phát quang âm, để đạt được khả năng kiểm soát khuyết tật chính xác hơn và tối ưu hóa các đặc tính vật liệu; sự phát triển nhanh chóng của màng dày chất lượng cao 3C-SiC là chìa khóa để đáp ứng nhu cầu của các thiết bị điện áp cao và cần nghiên cứu thêm để vượt qua sự cân bằng giữa tốc độ tăng trưởng và tính đồng nhất của vật liệu; kết hợp với ứng dụng 3C-SiC trong các cấu trúc không đồng nhất như SiC/GaN, khám phá các ứng dụng tiềm năng của nó trong các thiết bị mới như điện tử công suất, tích hợp quang điện tử và xử lý thông tin lượng tử.

Tài liệu tham khảo:

[1] Nishino S, Hazuki Y, Matsunami H, và cộng sự. Sự lắng đọng hơi hóa học của màng β-SiC đơn tinh thể trên đế silicon với lớp trung gian SiC phún xạ[J].Tạp chí của Hiệp hội Điện hóa, 1980, 127(12):2674-2680.

[2] Ye Zhizhen, Wang Yadong, Huang Jingyun, et al. Nghiên cứu về sự tăng trưởng ở nhiệt độ thấp của màng mỏng cacbua silic gốc silicon [J]. .

[3] An Xia, Zhuang Huizhao, Li Huaixiang, et al. Chế tạo màng mỏng nano-SiC bằng phương pháp phún xạ magnetron trên đế Si [J]. ..

[4] Seki K, Alexander, Kozawa S, và những người khác. Sự tăng trưởng có chọn lọc của SiC bằng cách kiểm soát quá trình siêu bão hòa trong quá trình tăng trưởng dung dịch [J]. Tạp chí Tăng trưởng Tinh thể, 2012, 360:176-180.

[5] Chen Yao, Zhao Fuqiang, Zhu Bingxian, He Shuai. Tổng quan về sự phát triển của các thiết bị năng lượng cacbua silic trong và ngoài nước [J]. Công nghệ xe và năng lượng, 2020: 49-54.

[6] Li X, Wang G .CVD tăng trưởng của các lớp 3C-SiC trên chất nền 4H-SiC với hình thái được cải thiện[J].Solid State Communications, 2023:371.

[7] Hou Kaiwen. Nghiên cứu về chất nền có hoa văn Si và ứng dụng của nó trong tăng trưởng 3C-SiC [D].

[8]Lars, Hiller , Thomas, và cộng sự. Hiệu ứng hydro trong quá trình khắc ECR của cấu trúc Mesa 3C-SiC(100)[J]. Diễn đàn khoa học vật liệu, 2014.

[9] Xu Qingfang. Chế tạo màng mỏng 3C-SiC bằng phương pháp lắng đọng hơi hóa học bằng laser [D].

[10] Foisal A RM , Nguyen T , Dinh T K ,et al.3C-SiC/Si Cấu trúc dị thể: Một nền tảng tuyệt vời cho máy dò vị trí nhạy cảm dựa trên hiệu ứng quang điện[J]. Giao diện và vật liệu ứng dụng ACS, 2019: 40980-40987.

[11] Xin Bin. Sự tăng trưởng dị thể 3C/4H-SiC dựa trên quá trình CVD: đặc tính và sự tiến hóa của khuyết tật [D].

[12] Dong Lin. Công nghệ tăng trưởng epiticular đa wafer diện tích lớn và đặc tính vật lý của silicon Carbide [D].

[13] Diani M, Simon L, Kubler L, và cộng sự. Sự phát triển tinh thể của polytype 3C-SiC trên đế 6H-SiC(0001)[J]. Tạp chí Tăng trưởng Tinh thể, 2002, 235(1):95-102.