3C-SiC యొక్క హెటెరోపిటాక్సీ: ఒక అవలోకనం

1. 3C-SiC యొక్క చారిత్రక అభివృద్ధి

3C-SiC అభివృద్ధి, సిలికాన్ కార్బైడ్ యొక్క ముఖ్యమైన పాలిటైప్, సెమీకండక్టర్ మెటీరియల్ సైన్స్ యొక్క నిరంతర పురోగతిని ప్రతిబింబిస్తుంది. 1980లలో, నిషినో మరియు ఇతరులు. రసాయన ఆవిరి నిక్షేపణ (CVD)[1]ని ఉపయోగించి సిలికాన్ సబ్‌స్ట్రేట్‌పై మొదట 4 μm మందపాటి 3C-SiC ఫిల్మ్‌ను సాధించింది, 3C-SiC థిన్-ఫిల్మ్ టెక్నాలజీకి పునాది వేసింది.

1990లు SiC పరిశోధనకు స్వర్ణయుగంగా గుర్తించబడ్డాయి. క్రీ రీసెర్చ్ ఇంక్. యొక్క 6H-SiC మరియు 4H-SiC చిప్‌లను వరుసగా 1991 మరియు 1994లో ప్రారంభించడం, SiC సెమీకండక్టర్ పరికరాల వాణిజ్యీకరణను ప్రోత్సహించింది. ఈ సాంకేతిక పురోగతి 3C-SiC యొక్క తదుపరి పరిశోధన మరియు అనువర్తనాలకు పునాది వేసింది.

21వ శతాబ్దం ప్రారంభంలో, సిలికాన్ ఆధారిత SiC చలనచిత్రాలు కూడా చైనాలో గణనీయమైన పురోగతిని సాధించాయి. యే జిజెన్ మరియు ఇతరులు. 2002లో తక్కువ ఉష్ణోగ్రతల వద్ద CVDని ఉపయోగించి సిలికాన్ సబ్‌స్ట్రేట్‌లపై SiC ఫిల్మ్‌లను రూపొందించారు[2], అయితే యాన్ జియా మరియు ఇతరులు. 2001లో గది ఉష్ణోగ్రత వద్ద మాగ్నెట్రాన్ స్పుట్టరింగ్ ఉపయోగించి ఇలాంటి ఫలితాలను సాధించారు[3].

అయినప్పటికీ, Si మరియు SiC (సుమారు 20%) మధ్య పెద్ద లాటిస్ అసమతుల్యత 3C-SiC ఎపిటాక్సియల్ లేయర్‌లో అధిక లోపం సాంద్రతకు దారితీసింది, ముఖ్యంగా డబుల్ పొజిషనింగ్ బౌండరీలు (DPBలు). దీనిని తగ్గించడానికి, పరిశోధకులు 6H-SiC, 15R-SiC, లేదా 4H-SiC వంటి సబ్‌స్ట్రేట్‌లను ఎంచుకున్నారు, 3C-SiC ఎపిటాక్సియల్ లేయర్‌లను పెంచడానికి (0001) ఓరియంటేషన్‌తో, తద్వారా లోపం సాంద్రత తగ్గుతుంది. ఉదాహరణకు, 2012లో, సెకీ, కజుకి మరియు ఇతరులు. సూపర్‌సాచురేషన్[4-5]ని నియంత్రించడం ద్వారా 6H-SiC(0001) విత్తనాలపై 3C-SiC మరియు 6H-SiC ఎంపిక వృద్ధిని సాధించడం ద్వారా గతి పాలిమార్ఫిజం నియంత్రణ సాంకేతికతను ప్రతిపాదించారు. 2023లో, జున్ లీ మరియు ఇతరులు. 14 μm/h[6] రేటుతో ఆప్టిమైజ్ చేయబడిన CVD వృద్ధిని ఉపయోగించి 4H-SiC సబ్‌స్ట్రేట్‌లపై DPBలు లేకుండా మృదువైన 3C-SiC ఎపిటాక్సియల్ లేయర్‌లను విజయవంతంగా పొందింది.

2. 3C-SiC యొక్క క్రిస్టల్ స్ట్రక్చర్ మరియు అప్లికేషన్స్

అనేక SiC పాలీటైప్‌లలో, 3C-SiC, β-SiC అని కూడా పిలుస్తారు, ఇది క్యూబిక్ పాలిటైప్ మాత్రమే. ఈ క్రిస్టల్ నిర్మాణంలో, Si మరియు C పరమాణువులు ఒకదానికొకటి నిష్పత్తిలో ఉంటాయి, బలమైన సమయోజనీయ బంధాలతో టెట్రాహెడ్రల్ యూనిట్ సెల్‌ను ఏర్పరుస్తాయి. నిర్మాణం ABC-ABC-... క్రమంలో అమర్చబడిన Si-C బిలేయర్‌ల ద్వారా వర్గీకరించబడుతుంది, ప్రతి యూనిట్ సెల్ మూడు అటువంటి బిలేయర్‌లను కలిగి ఉంటుంది, C3 సంజ్ఞామానం ద్వారా సూచించబడుతుంది. మూర్తి 1 3C-SiC యొక్క క్రిస్టల్ నిర్మాణాన్ని వివరిస్తుంది.

                                                                                                                                                                           మూర్తి 1. 3C-SiC యొక్క క్రిస్టల్ నిర్మాణం

ప్రస్తుతం, సిలికాన్ (Si) అనేది విద్యుత్ పరికరాల కోసం అత్యంత విస్తృతంగా ఉపయోగించే సెమీకండక్టర్ పదార్థం. అయినప్పటికీ, దాని స్వాభావిక పరిమితులు దాని పనితీరును పరిమితం చేస్తాయి. 4H-SiC మరియు 6H-SiC లతో పోలిస్తే, 3C-SiC గది ఉష్ణోగ్రత వద్ద అత్యధిక సైద్ధాంతిక ఎలక్ట్రాన్ మొబిలిటీని కలిగి ఉంది (1000 cm2·V-1·s-1), ఇది MOSFET అనువర్తనాలకు మరింత ప్రయోజనకరంగా ఉంటుంది. అదనంగా, దాని అధిక బ్రేక్‌డౌన్ వోల్టేజ్, అద్భుతమైన థర్మల్ కండక్టివిటీ, అధిక కాఠిన్యం, విస్తృత బ్యాండ్‌గ్యాప్, అధిక-ఉష్ణోగ్రత నిరోధకత మరియు రేడియేషన్ నిరోధకత ఎలక్ట్రానిక్స్, ఆప్టోఎలక్ట్రానిక్స్, సెన్సార్‌లు మరియు విపరీత వాతావరణాలలో అనువర్తనాలకు 3C-SiC అత్యంత ఆశాజనకంగా చేస్తాయి:

హై-పవర్, హై-ఫ్రీక్వెన్సీ మరియు అధిక-ఉష్ణోగ్రత అప్లికేషన్‌లు: 3C-SiC యొక్క అధిక బ్రేక్‌డౌన్ వోల్టేజ్ మరియు అధిక ఎలక్ట్రాన్ మొబిలిటీ MOSFETల వంటి పవర్ పరికరాల తయారీకి, ముఖ్యంగా డిమాండ్ ఉన్న పరిసరాలలో[7] అనువైనవి.

నానోఎలక్ట్రానిక్స్ మరియు మైక్రోఎలెక్ట్రోమెకానికల్ సిస్టమ్స్ (MEMS): సిలికాన్ సాంకేతికతతో దాని అనుకూలత నానోఎలక్ట్రానిక్స్ మరియు MEMS పరికరాలలో అనువర్తనాలను ప్రారంభించడం ద్వారా నానోస్కేల్ నిర్మాణాల కల్పనకు అనుమతిస్తుంది[8].

ఆప్టోఎలక్ట్రానిక్స్:వైడ్-బ్యాండ్‌గ్యాప్ సెమీకండక్టర్ మెటీరియల్‌గా, 3C-SiC బ్లూ లైట్-ఎమిటింగ్ డయోడ్‌లకు (LEDలు) అనుకూలంగా ఉంటుంది. దీని అధిక ప్రకాశించే సామర్థ్యం మరియు డోపింగ్ సౌలభ్యం లైటింగ్, డిస్‌ప్లే టెక్నాలజీలు మరియు లేజర్‌లలో అనువర్తనాలకు ఆకర్షణీయంగా ఉంటాయి[9].

సెన్సార్లు:3C-SiC పొజిషన్-సెన్సిటివ్ డిటెక్టర్లలో ఉపయోగించబడుతుంది, ప్రత్యేకించి లేజర్ స్పాట్ పొజిషన్-సెన్సిటివ్ డిటెక్టర్లు పార్శ్వ కాంతివిపీడన ప్రభావంపై ఆధారపడి ఉంటాయి. ఈ డిటెక్టర్లు జీరో బయాస్ పరిస్థితులలో అధిక సున్నితత్వాన్ని ప్రదర్శిస్తాయి, ఇవి ఖచ్చితమైన స్థాన అనువర్తనాలకు అనుకూలంగా ఉంటాయి[10].

3. 3C-SiC హెటెరోపిటాక్సీ కోసం తయారీ పద్ధతులు

3C-SiC హెటెరోపిటాక్సీకి సంబంధించిన సాధారణ పద్ధతులు రసాయన ఆవిరి నిక్షేపణ (CVD), సబ్లిమేషన్ ఎపిటాక్సీ (SE), లిక్విడ్ ఫేజ్ ఎపిటాక్సీ (LPE), మాలిక్యులర్ బీమ్ ఎపిటాక్సీ (MBE) మరియు మాగ్నెట్రాన్ స్పుట్టరింగ్. CVD అనేది 3C-SiC ఎపిటాక్సీకి ప్రాధాన్య పద్ధతి, ఇది ఉష్ణోగ్రత, గ్యాస్ ప్రవాహం, ఛాంబర్ పీడనం మరియు ప్రతిచర్య సమయం పరంగా దాని నియంత్రణ మరియు అనుకూలత కారణంగా, ఎపిటాక్సియల్ లేయర్ నాణ్యతను ఆప్టిమైజేషన్ చేయడానికి వీలు కల్పిస్తుంది.

రసాయన ఆవిరి నిక్షేపణ (CVD):Si మరియు C కలిగిన వాయు సమ్మేళనాలు ప్రతిచర్య గదిలోకి ప్రవేశపెట్టబడతాయి మరియు అధిక ఉష్ణోగ్రతలకు వేడి చేయబడతాయి, ఇది వాటి కుళ్ళిపోవడానికి దారితీస్తుంది. Si మరియు C పరమాణువులు సాధారణంగా Si, 6H-SiC, 15R-SiC, లేదా 4H-SiC [11] ఒక ఉపరితలంపై జమ చేస్తాయి. ఈ ప్రతిచర్య సాధారణంగా 1300-1500 ° C మధ్య సంభవిస్తుంది. సాధారణ Si మూలాలలో SiH4, TCS మరియు MTS ఉన్నాయి, అయితే C మూలాలు ప్రధానంగా C2H4 మరియు C3H8, H2 క్యారియర్ గ్యాస్‌గా ఉంటాయి. మూర్తి 2 CVD ప్రక్రియ యొక్క స్కీమాటిక్‌ను వర్ణిస్తుంది[12].

                                                                                                                                                               మూర్తి 2. CVD ప్రక్రియ యొక్క స్కీమాటిక్

సబ్లిమేషన్ ఎపిటాక్సీ (SE):ఈ పద్ధతిలో, 6H-SiC లేదా 4H-SiC సబ్‌స్ట్రేట్ క్రూసిబుల్ పైభాగంలో ఉంచబడుతుంది, దిగువన మూల పదార్థంగా అధిక-స్వచ్ఛత కలిగిన SiC పౌడర్ ఉంటుంది. రేడియో ఫ్రీక్వెన్సీ ఇండక్షన్ ద్వారా క్రూసిబుల్ 1900-2100 ° C వరకు వేడి చేయబడుతుంది, అక్షసంబంధ ఉష్ణోగ్రత ప్రవణతను సృష్టించడానికి మూల ఉష్ణోగ్రత కంటే తక్కువ ఉపరితల ఉష్ణోగ్రతను నిర్వహిస్తుంది. ఇది సబ్‌లిమేటెడ్ SiCని సబ్‌స్ట్రేట్‌పై ఘనీభవించడానికి మరియు స్ఫటికీకరించడానికి అనుమతిస్తుంది, ఇది 3C-SiC హెటెరోపిటాక్సీని ఏర్పరుస్తుంది.

మాలిక్యులర్ బీమ్ ఎపిటాక్సీ (MBE):ఈ అధునాతన థిన్-ఫిల్మ్ గ్రోత్ టెక్నిక్ 4H-SiC లేదా 6H-SiC సబ్‌స్ట్రేట్‌లపై 3C-SiC ఎపిటాక్సియల్ లేయర్‌లను పెంచడానికి అనుకూలంగా ఉంటుంది. అల్ట్రా-హై వాక్యూమ్ కింద, మూల వాయువుల యొక్క ఖచ్చితమైన నియంత్రణ రాజ్యాంగ మూలకాల యొక్క దిశాత్మక పరమాణు లేదా పరమాణు కిరణాల ఏర్పాటును అనుమతిస్తుంది. ఈ కిరణాలు ఎపిటాక్సియల్ పెరుగుదల కోసం వేడిచేసిన ఉపరితల ఉపరితలం వైపు మళ్లించబడతాయి.

4. ముగింపు మరియు ఔట్‌లుక్

నిరంతర సాంకేతిక పురోగతులు మరియు లోతైన యాంత్రిక అధ్యయనాలతో, 3C-SiC హెటెరోపిటాక్సీ సెమీకండక్టర్ పరిశ్రమలో మరింత ముఖ్యమైన పాత్రను పోషించడానికి సిద్ధంగా ఉంది, ఇది శక్తి-సమర్థవంతమైన ఎలక్ట్రానిక్ పరికరాల అభివృద్ధికి దారి తీస్తుంది. తక్కువ లోపాల సాంద్రతలను కొనసాగిస్తూ వృద్ధి రేటును పెంచడానికి HCl వాతావరణాలను పరిచయం చేయడం వంటి కొత్త వృద్ధి పద్ధతులను అన్వేషించడం భవిష్యత్ పరిశోధనలకు మంచి మార్గం. డిఫెక్ట్ ఫార్మేషన్ మెకానిజమ్స్‌పై తదుపరి పరిశోధన మరియు అధునాతన క్యారెక్టరైజేషన్ టెక్నిక్‌ల అభివృద్ధి ఖచ్చితమైన లోపం నియంత్రణ మరియు ఆప్టిమైజ్ చేసిన మెటీరియల్ లక్షణాలను అనుమతిస్తుంది. అధిక-నాణ్యత, మందపాటి 3C-SiC ఫిల్మ్‌ల వేగవంతమైన పెరుగుదల అధిక-వోల్టేజ్ పరికరాల డిమాండ్‌లను తీర్చడానికి కీలకం, వృద్ధి రేటు మరియు మెటీరియల్ ఏకరూపత మధ్య సమతుల్యతను పరిష్కరించడానికి తదుపరి పరిశోధన అవసరం. SiC/GaN వంటి హెటెరోస్ట్రక్చర్‌లలో 3C-SiC యొక్క అప్లికేషన్‌లను ప్రభావితం చేయడం ద్వారా, పవర్ ఎలక్ట్రానిక్స్, ఆప్టోఎలక్ట్రానిక్ ఇంటిగ్రేషన్ మరియు క్వాంటం ఇన్ఫర్మేషన్ ప్రాసెసింగ్ వంటి నవల పరికరాలలో దాని సామర్థ్యాన్ని పూర్తిగా అన్వేషించవచ్చు.

సూచనలు:

[1] నిషినో S , Hazuki Y , Matsunami H , et al. Sputtered SiC ఇంటర్మీడియట్ లేయర్[J]తో సిలికాన్ సబ్‌స్ట్రేట్‌పై సింగిల్ క్రిస్టలైన్ β-SiC ఫిల్మ్‌ల రసాయన ఆవిరి నిక్షేపణ. జర్నల్ ఆఫ్ ది ఎలక్ట్రోకెమికల్ సొసైటీ, 1980, 127(12):2674-2680.

[2] యే జిజెన్, వాంగ్ యాడోంగ్, హువాంగ్ జింగ్యున్, మరియు ఇతరులు సిలికాన్-ఆధారిత సిలికాన్ కార్బైడ్ సన్నని చలనచిత్రాల [J] జర్నల్ ఆఫ్ వాక్యూమ్ సైన్స్ అండ్ టెక్నాలజీ, 2002, 022(001):58-60. .

[3] యాన్ జియా, జువాంగ్ హుయిజావో, లి హుయిక్సియాంగ్, మరియు ఇతరులు (111) Si సబ్‌స్ట్రేట్‌పై నానో-SiC థిన్ ఫిల్మ్‌లను తయారు చేయడం [J] షాన్‌డాంగ్ నార్మల్ యూనివర్సిటీ: నేచురల్ సైన్స్ ఎడిషన్, 2001: 382-384. ..

[4] సెకి కె, అలెగ్జాండర్, కొజావా ఎస్, మరియు ఇతరులు. సొల్యూషన్ గ్రోత్[J]లో సూపర్‌సాచురేషన్ నియంత్రణ ద్వారా SiC యొక్క పాలీటైప్-సెలెక్టివ్ గ్రోత్. జర్నల్ ఆఫ్ క్రిస్టల్ గ్రోత్, 2012, 360:176-180.

[5] చెన్ యావో, జావో ఫుకియాంగ్, జు బింగ్జియాన్, హే షువాయ్ స్వదేశంలో మరియు విదేశాలలో సిలికాన్ కార్బైడ్ పవర్ డివైజ్‌ల అభివృద్ధి గురించిన అవలోకనం [J], 2020: 49-54.

[6] మెరుగైన పదనిర్మాణ శాస్త్రం[J]తో 4H-SiC ఉపరితలాలపై 3C-SiC పొరల యొక్క Li X, వాంగ్ G .CVD పెరుగుదల. సాలిడ్ స్టేట్ కమ్యూనికేషన్స్, 2023:371.

[7] హౌ కైవెన్ 3C-SiC గ్రోత్ [D]లో Si నమూనా సబ్‌స్ట్రేట్‌పై పరిశోధన, 2018.

[8]లార్స్, హిల్లర్, థామస్, మరియు ఇతరులు. 3C-SiC(100) మెసా స్ట్రక్చర్స్[J] యొక్క ECR-ఎచింగ్‌లో హైడ్రోజన్ ప్రభావాలు.మెటీరియల్స్ సైన్స్ ఫోరమ్, 2014.

[9] జు కింగ్‌ఫాంగ్ 3C-SiC సన్నని చలనచిత్రాలను లేజర్ రసాయన ఆవిరి నిక్షేపణ ద్వారా తయారు చేయడం [D].

[10] Foisal A R M , Nguyen T , Dinh T K , మరియు ఇతరులు

[11] జిన్ బిన్ 3C/4H-SiC హెటెరోపిటాక్సియల్ గ్రోత్ ఆధారంగా CVD ప్రాసెస్: డిఫెక్ట్ క్యారెక్టరైజేషన్ అండ్ ఎవల్యూషన్ [D].

[12] డాంగ్ లిన్. లార్జ్-ఏరియా మల్టీ-వేఫర్ ఎపిటాక్సియల్ గ్రోత్ టెక్నాలజీ మరియు ఫిజికల్ ప్రాపర్టీ క్యారెక్టరైజేషన్ ఆఫ్ చైనీస్ అకాడెమీ ఆఫ్ సైన్సెస్, 2014.

[13] డయాని M , సైమన్ L , Kubler L , et al. 6H-SiC(0001) సబ్‌స్ట్రేట్[J]పై 3C-SiC పాలిటైప్ యొక్క క్రిస్టల్ పెరుగుదల. జర్నల్ ఆఫ్ క్రిస్టల్ గ్రోత్, 2002, 235(1):95-102.