3C SIC의 개발 기록

중요한 형태로서실리콘 카바이드, 개발 역사3c-siC반도체 소재과학의 지속적인 발전을 반영합니다. 1980년대 Nishino et al. 3C-SiC 박막 기술의 기초를 마련한 화학 기상 증착(CVD)[1]을 통해 실리콘 기판 위에 4um 3C-SiC 박막을 최초로 얻었습니다.

1990년대는 SiC 연구의 황금기였습니다. Cree Research Inc.는 1991년과 1994년에 각각 6H-SiC 및 4H-SiC 칩을 출시하여 상용화를 촉진했습니다.SiC 반도체 장치. 이 기간 동안의 기술 진보는 3C-SiC의 후속 연구 및 응용을 위한 기반을 마련했습니다.

21세기 초,국내 실리콘 기반 SIC 박막또한 어느 정도 개발되었습니다. Ye Zhizhen et al. 2002 년 저온 조건 하에서 CVD에 의해 제조 된 실리콘 기반 SIC 박막 [2]. 2001 년 Xia et al. 실온에서 마그네트론 스퍼터링에 의해 제조 된 실리콘 기반 SIC 박막 [3].

그러나 Si와 SiC의 격자 상수 차이(약 20%)가 크기 때문에 3C-SiC 에피층의 결함 밀도, 특히 DPB와 같은 쌍정 결함의 밀도가 상대적으로 높습니다. 격자 불일치를 줄이기 위해 연구진은 (0001) 표면의 6H-SiC, 15R-SiC 또는 4H-SiC를 기판으로 사용하여 3C-SiC 에피층을 성장시키고 결함 밀도를 줄였습니다. 예를 들어, 2012년 Seki, Kazuaki et al. 은 과포화도를 제어하여 6H-SiC(0001) 표면 시드에서 3C-SiC 및 6H-SiC의 다형성 선택적 성장을 구현하는 동적 다형성 에피택시 제어 기술을 제안했습니다[4-5]. 2023년 Xun Li와 같은 연구진은 CVD 방법을 사용하여 성장과 공정을 최적화하고 매끄러운 3C-SiC를 성공적으로 획득했습니다.에피 택셜 층4H-SIC 기판에서 표면에 DPB 결함이 없으면 14UM/H의 성장 속도 [6].

3C sic의 결정 구조 및 응용 분야

많은 SiCD 다형 중에서 3C-SiC는 β-SiC라고도 알려진 유일한 입방형 다형입니다. 이 결정 구조에서는 격자 내에 Si와 C 원자가 1:1의 비율로 존재하며, 각 원자는 4개의 이종 원자로 둘러싸여 강한 공유 결합을 갖는 사면체 구조 단위를 형성합니다. 3C-SiC의 구조적 특징은 Si-C 이원자층이 ABC-ABC-… 3C-SiC의 결정 구조는 아래 그림에 나와 있습니다.

그림 1 3C-SIC의 결정 구조

현재 실리콘(Si)은 전력소자용 반도체 소재로 가장 널리 사용된다. 그러나 Si의 성능으로 인해 실리콘 기반 전력소자는 제한적이다. 4H-SiC 및 6H-SiC와 비교하여 3C-SiC는 실온에서 이론적 전자 이동도(1000cm·V-1·S-1)가 가장 높으며 MOS 장치 응용 분야에서 더 많은 이점을 가지고 있습니다. 동시에 3C-SiC는 높은 항복 전압, 우수한 열 전도성, 높은 경도, 넓은 밴드갭, 고온 저항 및 방사선 저항과 같은 우수한 특성도 가지고 있습니다. 따라서 극한 조건에서 전자, 광전자 공학, 센서 및 응용 분야에서 큰 잠재력을 갖고 있으며 관련 기술의 개발 및 혁신을 촉진하고 여러 분야에서 폭넓은 응용 가능성을 보여줍니다.

첫째 : 특히 고전압, 고주파 및 고온 환경에서, 3c-Sic의 높은 분해 전압 및 고 전자 이동성은 MOSFET과 같은 전력 장치를 제조하는 데 이상적인 선택입니다 [7]. 둘째 : 나노 일렉트로닉스 및 마이크로 전자 역학 시스템 (MEMS)에서 3C-SIC의 적용은 실리콘 기술과의 호환성으로부터 이점을 얻어 나노 전자 및 나노 전자 역학적 장치와 같은 나노 스케일 구조의 제조를 허용한다 [8]. 셋째 : 와이드 밴드 갭 반도체 재료로서 3C-Sic은 제조에 적합합니다.블루 라이트 배출 다이오드(LED). 조명, 디스플레이 기술 및 레이저에서의 응용은 높은 발광 효율과 쉬운 도핑으로 인해 주목을 받고 있습니다[9]. 넷째: 동시에 3C-SiC는 위치 감지 감지기, 특히 측면 광기전 효과를 기반으로 하는 레이저 포인트 위치 감지 감지기를 제조하는 데 사용됩니다. 이는 제로 바이어스 조건에서 높은 감도를 나타내며 정밀한 위치 결정에 적합합니다.[10] .

3. 3C SIC 이종 에피 택시의 준비 방법

3c-siC 헤테로에피택시의 주요 성장 방법은 다음과 같습니다.화학 기상 증착 (CVD), 승화 에피택시(SE), 액체 상피 (LPE)CVD는 제어 가능성과 적응성(예: 온도, 가스 흐름, 챔버 압력 및 반응 시간 등)으로 인해 3C-SiC 에피택시에 선호되는 방법으로, 이는 3C-SiC 에피택시의 품질을 최적화할 수 있습니다. 에피택셜 층).

화학 기상 증착 (CVD) : SI 및 C 요소를 함유하는 화합물 가스가 반응 챔버로 전달되고, 가열 및 고온에서 분해 된 다음, Si 원자 및 C 원자가 Si 기판 또는 6H-Sic, 15R-에 침전된다. SIC, 4H-SIC 기판 [11]. 이 반응의 온도는 일반적으로 1300-1500 ℃ 사이입니다. 일반적인 SI 소스에는 SIH4, TCS, MTS 등이 포함되며 C 소스에는 주로 C2H4, C3H8 등이 포함됩니다. 성장 공정에는 주로 다음 단계가 포함됩니다. 1. 기체 상 반응 공급원은 주 가스 흐름에서 증착 구역으로 운반됩니다. 2. 가스 상 반응은 경계층에서 발생하여 박막 전구체 및 부산물을 생성합니다. 3. 전구체의 강수, 흡착 및 균열 과정. 4. 흡착 된 원자는 기판 표면에서 이동하고 재구성한다. 5. 흡착 된 원자는 기질 표면에서 핵 생성 및 성장한다. 6. 주 가스 흐름 구역으로의 반응 후 폐기물 가스의 질량 수송은 반응 챔버에서 제거된다. 그림 2는 CVD의 개략도입니다 [12].

그림 2 CVD의 개략도

Sublimation epitaxy (SE) 방법 : 그림 3은 3C-SIC 준비를위한 SE 방법의 실험 구조 다이어그램입니다. 주요 단계는 고온 구역에서 SIC 공급원의 분해 및 승화이며, 승화의 수송 및 하한 온도에서 기판 표면의 승화의 반응 및 결정화이다. 세부 사항은 다음과 같습니다. 6H-SIC 또는 4H-SIC 기판은 Crucible의 상단에 배치되고고순도 SIC 파우더SiC 원료로 사용되며 바닥에 배치됩니다.흑연 도가니. 도가니는 무선 주파수 유도에 의해 1900-2100 ℃로 가열되며, 기질 온도는 SIC 소스보다 낮은 것으로 제어되어 도가니 내부에 축 온도 구배를 형성하여 승화 된 SIC 재료가 기판에 응축되고 결정화 될 수있다. 3c-sic 이종 에피 택셜을 형성합니다.

승화 에피택시의 장점은 주로 두 가지 측면에 있습니다. 1. 에피택시 온도가 높아 결정 결함을 줄일 수 있습니다. 2. 에칭을 통해 원자 수준에서 에칭된 표면을 얻을 수 있습니다. 그러나 성장 과정에서 반응 소스를 조절할 수 없고, 실리콘-탄소 비율, 시간, 다양한 반응 순서 등을 변경할 수 없어 성장 과정의 제어성이 떨어지는 문제가 있다.

그림 3 3C-SiC 에피택시 성장을 위한 SE 방법의 개략도

분자 빔 에피 택시 (MBE)는 고급 박막 성장 기술이며, 이는 4H-SIC 또는 6H-SIC 기판에서 3C-SIC 에피 택셜 층을 성장시키는 데 적합합니다. 이 방법의 기본 원리는 다음과 같습니다. 초고 진공 환경에서 소스 가스의 정확한 제어를 통해 성장하는 에피 택셜 층의 원소는 가열되어 방향 원자 빔 또는 분자 빔을 형성하고 가열 된 기판 표면에 입사합니다. 에피 택셜 성장. 3C-SIC 성장을위한 일반적인 조건에피 택셜 층4H-SiC 또는 6H-SiC 기판의 경우 실리콘이 풍부한 조건에서 그래핀과 순수 탄소 소스가 전자총을 사용하여 기체 물질로 여기되고 1200-1350℃가 반응 온도로 사용됩니다. 3C-SiC 헤테로에피택셜 성장은 0.01-0.1 nms-1의 성장 속도로 얻을 수 있습니다[13].

결론 및 전망

지속적인 기술 진보와 심층 메커니즘 연구를 통해 3C-Sic Heteroepitaxial 기술은 반도체 산업에서 더 중요한 역할을 수행하고 고효율 전자 장치의 개발을 촉진 할 것으로 예상됩니다. 예를 들어, 낮은 결함 밀도를 유지하면서 성장률을 높이기 위해 HCL 대기를 도입하는 것과 같은 새로운 성장 기술과 전략을 계속 탐색하는 것은 미래의 연구의 방향입니다. 결함 형성 메커니즘에 대한 심층적 인 연구 및 광 발광 및 음극 발광 분석과 같은보다 진보 된 특성화 기술의 개발,보다 정확한 결함 제어를 달성하고 재료 특성을 최적화합니다. 고품질 두꺼운 필름 3C-SIC의 급속한 성장은 고전압 장치의 요구를 충족시키는 열쇠이며, 성장률과 재료 균일 성 사이의 균형을 극복하기 위해서는 추가 연구가 필요합니다. SIC/GAN과 같은 이기종 구조에서 3C-SIC의 적용과 함께 전력 전자 장치, 광전자 통합 및 양자 정보 처리와 같은 새로운 장치에서 잠재적 인 응용을 탐색합니다.

참조 :

[1] 니시노 S, 하즈키 Y, 마츠나미 H, 외. 스퍼터링된 SiC 중간층을 갖는 실리콘 기판 위의 단결정 β-SiC 필름의 화학 기상 증착[J]. Journal of The Electrochemical Society, 1980, 127(12):2674-2680.

[2] Ye Zhizhen, Wang Yadong, Huang Jingyun 등 실리콘 기반 탄화규소 박막의 저온 성장에 관한 연구 [J] Journal of Vacuum Science and Technology, 2002, 022(001):58-60 .

[3] 불안, Zhuang Huizhao, Li Huaixiang, (111) 자기 스퍼터링 방법 [J]에서 나노 Sic 필름을 준비합니다.

[4] Seki K, Alexander, Kozawa S 등. 용액 성장에서의 과포화 제어에 의한 SIC의 다형 선택적 성장 [J]. 결정 성장 저널, 2012, 360 : 176-180.

[5] Chen Yao, Zhao Fuqiang, Zhu Bingxian, Shuai는 집과 해외에서 실리콘 카바이드 전력 장치의 개발을 요약했습니다 [J].

[6] Li X , Wang G. 개선된 형태를 갖는 4H-SiC 기판에서 3C-SiC 층의 CVD 성장[J].Solid State Communications, 2023:371.

[7] Hou Kaiwen, Si 패턴 기판 및 3C-SiC 성장에 대한 응용 연구 [D], 2018.

[8] Lars, Hiller, Thomas 등. 3C-SIC (100) MESA 구조의 ECR 에칭에 대한 수소 효과 [J]. Materials Science Forum, 2014.

[9] Xu Qingfang.

[10] Foisal A RM , Nguyen T , Dinh T K 등 3C-SiC/Si 이종구조: 광전지 효과를 기반으로 한 위치 감지 감지기를 위한 우수한 플랫폼[J].ACS Applied Materials & Interfaces, 2019: 40980-40987.

[11] Xin Bin. CVD 공정을 기반으로 한 3C/4H-SiC 헤테로에피택셜 성장: 결함 특성화 및 진화 [D].

[12] Dong Lin. 대면적 다중 웨이퍼 에피택셜 성장 기술 및 실리콘 카바이드의 물리적 특성 분석[D], 중국과학원대학교, 2014.

[13] Diani M, Simon L, Kubler L 등. 6H-SiC(0001) 기판에서 3C-SiC 다형의 결정 성장[J]. 결정 성장 저널, 2002, 235(1):95-102.