Heteroepitaxy ของ 3C-SiC: ภาพรวม

1. พัฒนาการทางประวัติศาสตร์ของ 3C-SiC

การพัฒนา 3C-SiC ซึ่งเป็นโพลีไทป์ที่สำคัญของซิลิคอนคาร์ไบด์ สะท้อนให้เห็นถึงความก้าวหน้าอย่างต่อเนื่องของวิทยาศาสตร์วัสดุเซมิคอนดักเตอร์ ในช่วงทศวรรษ 1980 นิชิโนะ และคณะ ครั้งแรกที่ประสบความสำเร็จในการสร้างฟิล์ม 3C-SiC ที่มีความหนา 4 μm บนพื้นผิวซิลิกอนโดยใช้การสะสมไอสารเคมี (CVD) [1] ซึ่งวางรากฐานสำหรับเทคโนโลยีฟิล์มบาง 3C-SiC

ทศวรรษ 1990 ถือเป็นยุคทองของการวิจัย SiC การเปิดตัวชิป 6H-SiC และ 4H-SiC ของ Cree Research Inc. ในปี 1991 และ 1994 ตามลำดับ ได้กระตุ้นให้เกิดการนำอุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์ SiC ไปสู่เชิงพาณิชย์ ความก้าวหน้าทางเทคโนโลยีนี้ได้วางรากฐานสำหรับการวิจัยและการประยุกต์ใช้ 3C-SiC ในภายหลัง

ในช่วงต้นศตวรรษที่ 21 ฟิล์ม SiC ที่ใช้ซิลิคอนก็มีความก้าวหน้าอย่างมากในจีนเช่นกัน เย่ จือเจิ้น และคณะ สร้างฟิล์ม SiC บนพื้นผิวซิลิกอนโดยใช้ CVD ที่อุณหภูมิต่ำในปี 2545 [2] ในขณะที่ An Xia และคณะ บรรลุผลที่คล้ายกันโดยใช้แมกนีตรอนสปัตเตอร์ที่อุณหภูมิห้องในปี 2544 [3]

อย่างไรก็ตาม โครงตาข่ายที่ไม่ตรงกันขนาดใหญ่ระหว่าง Si และ SiC (ประมาณ 20%) นำไปสู่ความหนาแน่นของข้อบกพร่องสูงในชั้น epitaxis 3C-SiC โดยเฉพาะอย่างยิ่งขอบเขตการวางตำแหน่งสองเท่า (DPB) เพื่อบรรเทาปัญหานี้ นักวิจัยเลือกใช้ซับสเตรต เช่น 6H-SiC, 15R-SiC หรือ 4H-SiC ที่มีการวางแนว (0001) สำหรับการเติบโตของชั้นอีปิแอกเชียล 3C-SiC ซึ่งช่วยลดความหนาแน่นของข้อบกพร่อง ตัวอย่างเช่น ในปี 2012 Seki, Kazuaki และคณะ เสนอเทคนิคการควบคุมพหุสัณฐานจลน์ เพื่อให้ได้การเจริญเติบโตแบบเลือกสรรของ 3C-SiC และ 6H-SiC บนเมล็ด 6H-SiC(0001) โดยการควบคุมความอิ่มตัวยิ่งยวด[4-5] ในปี 2023 Xun Li และคณะ ประสบความสำเร็จในการรับชั้น epitaxial 3C-SiC ที่ราบรื่นโดยปราศจาก DPB บนซับสเตรต 4H-SiC โดยใช้การเติบโตของ CVD ที่ปรับให้เหมาะสมด้วยอัตรา 14 μm/h[6]

2. โครงสร้างผลึกและการประยุกต์ใช้ 3C-SiC

ในบรรดาโพลีไทป์ SiC จำนวนมาก 3C-SiC หรือที่เรียกว่า β-SiC นั้นเป็นโพลีไทป์ลูกบาศก์เพียงชนิดเดียว ในโครงสร้างผลึกนี้ อะตอมของ Si และ C มีอยู่ในอัตราส่วนหนึ่งต่อหนึ่ง ก่อตัวเป็นเซลล์หน่วยจัตุรมุขที่มีพันธะโควาเลนต์ที่แข็งแกร่ง โครงสร้างนี้มีลักษณะเฉพาะด้วยชั้นสองชั้นของ Si-C ที่จัดเรียงในลำดับ ABC-ABC-... โดยแต่ละหน่วยเซลล์ประกอบด้วยชั้นสองชั้นดังกล่าวสามชั้น ซึ่งแสดงด้วยสัญกรณ์ C3 รูปที่ 1 แสดงโครงสร้างผลึกของ 3C-SiC

                                                                                                                                                                           รูปที่ 1 โครงสร้างผลึกของ 3C-SiC

ปัจจุบันซิลิคอน (Si) เป็นวัสดุเซมิคอนดักเตอร์ที่ใช้กันอย่างแพร่หลายสำหรับอุปกรณ์ไฟฟ้า อย่างไรก็ตาม ข้อจำกัดโดยธรรมชาติจะจำกัดประสิทธิภาพการทำงาน เมื่อเปรียบเทียบกับ 4H-SiC และ 6H-SiC แล้ว 3C-SiC มีการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนตามทฤษฎีสูงสุดที่อุณหภูมิห้อง (1000 cm2·V-1·s-1) ทำให้ได้เปรียบสำหรับการใช้งาน MOSFET มากกว่า นอกจากนี้ แรงดันพังทลายสูง การนำความร้อนที่ดีเยี่ยม ความแข็งสูง แถบความถี่กว้าง ความต้านทานต่ออุณหภูมิสูง และการต้านทานรังสี ทำให้ 3C-SiC มีแนวโน้มสูงสำหรับการใช้งานในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ ออปโตอิเล็กทรอนิกส์ เซ็นเซอร์ และสภาพแวดล้อมที่รุนแรง:

การใช้งานกำลังสูง ความถี่สูง และอุณหภูมิสูง: แรงดันพังทลายสูงและความคล่องตัวของอิเล็กตรอนสูงของ 3C-SiC ทำให้เหมาะสำหรับการผลิตอุปกรณ์กำลัง เช่น MOSFET โดยเฉพาะอย่างยิ่งในสภาพแวดล้อมที่มีความต้องการสูง[7]

นาโนอิเล็กทรอนิกส์และระบบเครื่องกลไฟฟ้าขนาดเล็ก (MEMS): ความเข้ากันได้กับเทคโนโลยีซิลิคอนช่วยให้สามารถประดิษฐ์โครงสร้างระดับนาโนได้ ช่วยให้สามารถใช้งานในนาโนอิเล็กทรอนิกส์และอุปกรณ์ MEMS ได้[8]

ออปโตอิเล็กทรอนิกส์:เนื่องจากเป็นวัสดุเซมิคอนดักเตอร์แบบแถบความถี่กว้าง 3C-SiC จึงเหมาะสำหรับไดโอดเปล่งแสงสีน้ำเงิน (LED) ประสิทธิภาพการส่องสว่างสูงและง่ายต่อการเติมสารทำให้น่าสนใจสำหรับการใช้งานในด้านระบบไฟ เทคโนโลยีการแสดงผล และเลเซอร์[9]

เซนเซอร์:3C-SiC ใช้ในเครื่องตรวจจับที่ไวต่อตำแหน่ง โดยเฉพาะเครื่องตรวจจับที่ไวต่อตำแหน่งด้วยเลเซอร์โดยอิงตามเอฟเฟกต์ไฟฟ้าโซลาร์เซลล์ด้านข้าง อุปกรณ์ตรวจจับเหล่านี้มีความไวสูงภายใต้สภาวะอคติเป็นศูนย์ ทำให้เหมาะสำหรับการใช้งานระบุตำแหน่งอย่างแม่นยำ[10]

3. วิธีการเตรียม 3C-SiC Heteroepitaxy

วิธีการทั่วไปสำหรับเฮเทอโรอีพิแทกซี 3C-SiC ได้แก่ การสะสมไอสารเคมี (CVD), เอพิแทกซีแบบระเหิด (SE), เอพิแทกซีเฟสของเหลว (LPE), เอพิแทกซีลำแสงโมเลกุล (MBE) และการสปัตเตอร์แมกนีตรอน CVD เป็นวิธีที่นิยมใช้สำหรับเอพิแทกซี 3C-SiC เนื่องจากสามารถควบคุมและปรับเปลี่ยนได้ในแง่ของอุณหภูมิ การไหลของก๊าซ ความดันห้องเพาะเลี้ยง และเวลาปฏิกิริยา ซึ่งช่วยให้คุณภาพของชั้นเอพิแทกเซียลเหมาะสมที่สุด

การสะสมไอสารเคมี (CVD):สารประกอบก๊าซที่มี Si และ C ถูกนำเข้าไปในห้องปฏิกิริยาและให้ความร้อนที่อุณหภูมิสูง นำไปสู่การสลายตัว จากนั้นอะตอม Si และ C จะสะสมอยู่บนพื้นผิว โดยทั่วไปคือ Si, 6H-SiC, 15R-SiC หรือ 4H-SiC [11] ปฏิกิริยานี้มักเกิดขึ้นระหว่าง 1300-1500°C แหล่งที่มาของ Si ทั่วไป ได้แก่ SiH4, TCS และ MTS ในขณะที่แหล่งที่มาของ C ส่วนใหญ่จะอยู่ที่ C2H4 และ C3H8 โดยมี H2 เป็นก๊าซพาหะ รูปที่ 2 แสดงให้เห็นแผนผังของกระบวนการ CVD[12]

                                                                                                                                                               รูปที่ 2 แผนผังของกระบวนการ CVD

Epitaxy ระเหิด (SE):ในวิธีนี้ จะวางซับสเตรต 6H-SiC หรือ 4H-SiC ที่ด้านบนของถ้วยใส่ตัวอย่าง โดยมีผง SiC ที่มีความบริสุทธิ์สูงเป็นวัสดุต้นทางที่ด้านล่าง ถ้วยใส่ตัวอย่างได้รับความร้อนที่ 1900-2100°C ผ่านการเหนี่ยวนำความถี่วิทยุ โดยรักษาอุณหภูมิของพื้นผิวให้ต่ำกว่าอุณหภูมิแหล่งกำเนิดเพื่อสร้างการไล่ระดับอุณหภูมิตามแนวแกน ซึ่งช่วยให้ SiC ที่ระเหิดสามารถควบแน่นและตกผลึกบนพื้นผิว ทำให้เกิดเฮเทอโรอีพิแทกซี 3C-SiC

โมเลกุลของลำแสง Epitaxy (MBE):เทคนิคการเจริญเติบโตของฟิล์มบางขั้นสูงนี้เหมาะสำหรับการปลูกชั้น epitaxis 3C-SiC บนพื้นผิว 4H-SiC หรือ 6H-SiC ภายใต้สุญญากาศสูงพิเศษ การควบคุมก๊าซต้นทางที่แม่นยำช่วยให้เกิดลำแสงอะตอมหรือโมเลกุลที่มีทิศทางขององค์ประกอบที่เป็นส่วนประกอบ คานเหล่านี้มุ่งตรงไปยังพื้นผิวของสารตั้งต้นที่ให้ความร้อนเพื่อการเจริญเติบโตของเยื่อบุผิว

4. บทสรุปและแนวโน้ม

ด้วยความก้าวหน้าทางเทคโนโลยีอย่างต่อเนื่องและการศึกษากลไกเชิงลึก 3C-SiC เฮเทอโรอีพิแทกซีจึงพร้อมที่จะมีบทบาทสำคัญในอุตสาหกรรมเซมิคอนดักเตอร์มากขึ้น โดยขับเคลื่อนการพัฒนาอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่ประหยัดพลังงาน การสำรวจเทคนิคการเติบโตใหม่ๆ เช่น การแนะนำบรรยากาศ HCl เพื่อเพิ่มอัตราการเติบโตในขณะที่ยังคงรักษาความหนาแน่นของข้อบกพร่องต่ำ ถือเป็นช่องทางที่น่าหวังสำหรับการวิจัยในอนาคต การตรวจสอบเพิ่มเติมเกี่ยวกับกลไกการก่อตัวของข้อบกพร่องและการพัฒนาเทคนิคการระบุลักษณะขั้นสูงจะช่วยให้สามารถควบคุมข้อบกพร่องได้อย่างแม่นยำและปรับคุณสมบัติของวัสดุให้เหมาะสม การเติบโตอย่างรวดเร็วของฟิล์ม 3C-SiC คุณภาพสูงที่มีความหนาเป็นสิ่งสำคัญในการตอบสนองความต้องการของอุปกรณ์ไฟฟ้าแรงสูง โดยต้องมีการวิจัยเพิ่มเติมเพื่อหาสมดุลระหว่างอัตราการเติบโตและความสม่ำเสมอของวัสดุ ด้วยการใช้ประโยชน์จากแอปพลิเคชัน 3C-SiC ในโครงสร้างเฮเทอโร เช่น SiC/GaN จึงสามารถสำรวจศักยภาพของมันในอุปกรณ์ใหม่ๆ เช่น อิเล็กทรอนิกส์กำลัง การรวมออปโตอิเล็กทรอนิกส์ และการประมวลผลข้อมูลควอนตัมได้อย่างสมบูรณ์

อ้างอิง:

[1] นิชิโนะ เอส , ฮาซึกิ วาย , มัตสึนามิ เอช และคณะ การสะสมไอสารเคมีของฟิล์ม β‐SiC ผลึกเดี่ยวบนพื้นผิวซิลิคอนที่มีชั้นกลาง SiC แบบสปัตเตอร์ [J] วารสารสมาคมเคมีไฟฟ้า, 1980, 127(12):2674-2680

(2) Ye Zhizhen, Wang Yadong, Huang Jingyun และคณะ การวิจัยเกี่ยวกับการเจริญเติบโตที่อุณหภูมิต่ำของฟิล์มบางซิลิคอนคาร์ไบด์ [J] วารสารวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีสุญญากาศ, 2002, 022(001):58-60 .

(3) An Xia, Zhuang Huizhao, Li Huaixiang และคณะ การเตรียมฟิล์มบางนาโน SiC โดยแมกนีตรอนสปัตเตอร์บน (111) สารตั้งต้น Si [J] ..

[4] Seki K, Alexander, Kozawa S, และคณะ การเติบโตแบบเลือกชนิดของ SiC โดยการควบคุมความอิ่มตัวยิ่งยวดในการเติบโตของสารละลาย [J] วารสาร Crystal Growth, 2012, 360:176-180

[5] Chen Yao, Zhao Fuqiang, Zhu Bingxian, He Shuai ภาพรวมของการพัฒนาอุปกรณ์พลังงานซิลิคอนคาร์ไบด์ทั้งในและต่างประเทศ [J] ยานพาหนะและเทคโนโลยีพลังงาน, 2020: 49-54

[6] Li X , Wang G .CVD การเจริญเติบโตของชั้น 3C-SiC บนพื้นผิว 4H-SiC พร้อมการปรับปรุงสัณฐานวิทยา [J] การสื่อสารโซลิดสเตต, 2023:371

(7) Hou Kaiwen การวิจัยเกี่ยวกับสารตั้งต้นที่มีลวดลายของ Si และการประยุกต์ในการเจริญเติบโตของ 3C-SiC [D]

[8]ลาร์ส, ฮิลเลอร์, โทมัส และคณะ ผลกระทบของไฮโดรเจนในการกัดด้วย ECR ของโครงสร้าง Mesa 3C-SiC (100) [J] ฟอรัมวิทยาศาสตร์วัสดุ, 2014

[9] Xu Qingfang การเตรียมฟิล์มบาง 3C-SiC โดยการสะสมไอสารเคมีด้วยเลเซอร์ [D]

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

[11] Xin Bin การเติบโตแบบเฮเทอโรเอพิแทกเซียล 3C/4H-SiC ตามกระบวนการ CVD: การจำแนกลักษณะข้อบกพร่องและวิวัฒนาการ [D]

(12) ตงลิน เทคโนโลยีการเจริญเติบโตแบบหลายเวเฟอร์ในพื้นที่ขนาดใหญ่และคุณสมบัติทางกายภาพของซิลิคอนคาร์ไบด์ [D] มหาวิทยาลัย Chinese Academy of Sciences, 2014

[13] Diani M , Simon L , Kubler L และคณะ การเจริญเติบโตของผลึกของโพลีไทป์ 3C-SiC บนซับสเตรต 6H-SiC(0001)[J] วารสารการเติบโตของคริสตัล, 2545, 235(1):95-102.