3C SiC का विकास इतिहास

के एक महत्वपूर्ण रूप के रूप मेंसिलिकन कार्बाइड, the development history of 3सी-सीCअर्धचालक पदार्थ विज्ञान की निरंतर प्रगति को दर्शाता है। 1980 के दशक में, निशिनो एट अल। रासायनिक वाष्प जमाव (सीवीडी) [1] द्वारा सिलिकॉन सब्सट्रेट्स पर पहली बार 4um 3C-SiC पतली फिल्में प्राप्त कीं, जिसने 3C-SiC पतली फिल्म तकनीक की नींव रखी।

1990 का दशक SiC अनुसंधान का स्वर्ण युग था। क्री रिसर्च इंक ने व्यावसायीकरण को बढ़ावा देते हुए क्रमशः 1991 और 1994 में 6H-SiC और 4H-SiC चिप्स लॉन्च किए।SiC अर्धचालक उपकरण. इस अवधि के दौरान तकनीकी प्रगति ने 3C-SiC के बाद के अनुसंधान और अनुप्रयोग की नींव रखी।

21वीं सदी की शुरुआत में,घरेलू सिलिकॉन आधारित SiC पतली फिल्मेंकुछ हद तक विकसित भी हुआ। ये झिझेन एट अल। 2002 में कम तापमान की स्थिति में सीवीडी द्वारा सिलिकॉन आधारित SiC पतली फिल्में तैयार की गईं [2]। 2001 में, एन ज़िया एट अल। कमरे के तापमान पर मैग्नेट्रोन स्पटरिंग द्वारा सिलिकॉन आधारित SiC पतली फिल्में तैयार की गईं [3]।

हालाँकि, Si और SiC के जाली स्थिरांक (लगभग 20%) के बीच बड़े अंतर के कारण, 3C-SiC एपिटैक्सियल परत का दोष घनत्व अपेक्षाकृत अधिक है, विशेष रूप से DPB जैसे जुड़वां दोष। जाली बेमेल को कम करने के लिए, शोधकर्ता 3C-SiC एपिटैक्सियल परत को विकसित करने और दोष घनत्व को कम करने के लिए सब्सट्रेट के रूप में (0001) सतह पर 6H-SiC, 15R-SiC या 4H-SiC का उपयोग करते हैं। उदाहरण के लिए, 2012 में, सेकी, काज़ुकी एट अल। गतिशील बहुरूपी एपिटैक्सी नियंत्रण तकनीक का प्रस्ताव रखा, जो सुपरसैचुरेशन [4-5] को नियंत्रित करके 6H-SiC (0001) सतह बीज पर 3C-SiC और 6H-SiC की बहुरूपी चयनात्मक वृद्धि का एहसास कराती है। 2023 में, Xun Li जैसे शोधकर्ताओं ने विकास और प्रक्रिया को अनुकूलित करने के लिए CVD पद्धति का उपयोग किया, और सफलतापूर्वक एक सहज 3C-SiC प्राप्त किया।एपिटैक्सियल परत14um/h[6] की वृद्धि दर पर 4H-SiC सब्सट्रेट की सतह पर कोई DPB दोष नहीं है।

3C SiC की क्रिस्टल संरचना और अनुप्रयोग क्षेत्र

कई SiCD पॉलीटाइप्स में, 3C-SiC एकमात्र क्यूबिक पॉलीटाइप है, जिसे β-SiC भी कहा जाता है। इस क्रिस्टल संरचना में, सी और सी परमाणु जाली में एक-से-एक अनुपात में मौजूद होते हैं, और प्रत्येक परमाणु चार विषम परमाणुओं से घिरा होता है, जो मजबूत सहसंयोजक बंधन के साथ एक टेट्राहेड्रल संरचनात्मक इकाई बनाते हैं। 3C-SiC की संरचनात्मक विशेषता यह है कि Si-C डायटोमिक परतों को ABC-ABC-… के क्रम में बार-बार व्यवस्थित किया जाता है, और प्रत्येक यूनिट सेल में तीन ऐसी डायटोमिक परतें होती हैं, जिन्हें C3 प्रतिनिधित्व कहा जाता है; 3C-SiC की क्रिस्टल संरचना नीचे दिए गए चित्र में दिखाई गई है:

चित्र 1 3C-SiC की क्रिस्टल संरचना

वर्तमान में, सिलिकॉन (Si) बिजली उपकरणों के लिए सबसे अधिक इस्तेमाल किया जाने वाला अर्धचालक पदार्थ है। हालाँकि, Si के प्रदर्शन के कारण, सिलिकॉन-आधारित बिजली उपकरण सीमित हैं। 4H-SiC और 6H-SiC की तुलना में, 3C-SiC में उच्चतम कमरे के तापमान सैद्धांतिक इलेक्ट्रॉन गतिशीलता (1000 सेमी·वी-1·एस-1) है, और एमओएस डिवाइस अनुप्रयोगों में इसके अधिक फायदे हैं। साथ ही, 3C-SiC में उच्च ब्रेकडाउन वोल्टेज, अच्छी तापीय चालकता, उच्च कठोरता, विस्तृत बैंडगैप, उच्च तापमान प्रतिरोध और विकिरण प्रतिरोध जैसे उत्कृष्ट गुण भी हैं। इसलिए, इलेक्ट्रॉनिक्स, ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक्स, सेंसर और अत्यधिक परिस्थितियों में अनुप्रयोगों में इसकी काफी संभावनाएं हैं, जो संबंधित प्रौद्योगिकियों के विकास और नवाचार को बढ़ावा देती है, और कई क्षेत्रों में व्यापक अनुप्रयोग क्षमता दिखाती है:

पहला: विशेष रूप से उच्च वोल्टेज, उच्च आवृत्ति और उच्च तापमान वाले वातावरण में, 3C-SiC की उच्च ब्रेकडाउन वोल्टेज और उच्च इलेक्ट्रॉन गतिशीलता इसे MOSFET जैसे बिजली उपकरणों के निर्माण के लिए एक आदर्श विकल्प बनाती है [7]। दूसरा: नैनोइलेक्ट्रॉनिक्स और माइक्रोइलेक्ट्रोमैकेनिकल सिस्टम (एमईएमएस) में 3सी-एसआईसी का अनुप्रयोग सिलिकॉन प्रौद्योगिकी के साथ इसकी अनुकूलता से लाभान्वित होता है, जिससे नैनोइलेक्ट्रॉनिक्स और नैनोइलेक्ट्रोमैकेनिकल उपकरणों जैसे नैनोस्केल संरचनाओं के निर्माण की अनुमति मिलती है [8]। तीसरा: एक विस्तृत बैंडगैप सेमीकंडक्टर सामग्री के रूप में, 3C-SiC के निर्माण के लिए उपयुक्त हैनीली रोशनी उत्सर्जक डायोड(एल ई डी). प्रकाश, प्रदर्शन प्रौद्योगिकी और लेजर में इसके अनुप्रयोग ने इसकी उच्च चमकदार दक्षता और आसान डोपिंग के कारण ध्यान आकर्षित किया है [9]। चौथा: साथ ही, 3C-SiC का उपयोग स्थिति-संवेदनशील डिटेक्टरों, विशेष रूप से पार्श्व फोटोवोल्टिक प्रभाव पर आधारित लेजर बिंदु स्थिति-संवेदनशील डिटेक्टरों के निर्माण के लिए किया जाता है, जो शून्य पूर्वाग्रह स्थितियों के तहत उच्च संवेदनशीलता दिखाते हैं और सटीक स्थिति के लिए उपयुक्त होते हैं [10] .

3. 3C SiC हेटेरोएपिटैक्सी की तैयारी विधि

3सी-सीC हेटरोएपिटैक्सी की मुख्य वृद्धि विधियों में शामिल हैंरासायनिक वाष्प जमाव (सीवीडी), उर्ध्वपातन एपिटैक्सी (एसई), तरल चरण एपिटैक्सी (एलपीई), आणविक बीम एपिटॉक्सी (एमबीई), मैग्नेट्रोन स्पटरिंग, आदि। सीवीडी अपनी नियंत्रणीयता और अनुकूलन क्षमता (जैसे तापमान, गैस प्रवाह, चैम्बर दबाव और प्रतिक्रिया समय, जो की गुणवत्ता को अनुकूलित कर सकता है) के कारण 3C-SiC एपिटॉक्सी के लिए पसंदीदा तरीका है। एपिटैक्सियल परत)।

रासायनिक वाष्प जमाव (सीवीडी): सी और सी तत्वों से युक्त एक मिश्रित गैस को प्रतिक्रिया कक्ष में पारित किया जाता है, गर्म किया जाता है और उच्च तापमान पर विघटित किया जाता है, और फिर सी परमाणुओं और सी परमाणुओं को सी सब्सट्रेट, या 6H-SiC, 15R- पर अवक्षेपित किया जाता है। SiC, 4H-SiC सब्सट्रेट [11]। इस प्रतिक्रिया का तापमान आमतौर पर 1300-1500℃ के बीच होता है। सामान्य Si स्रोतों में SiH4, TCS, MTS आदि शामिल हैं, और C स्रोतों में मुख्य रूप से C2H4, C3H8 आदि शामिल हैं, जिनमें H2 वाहक गैस है। विकास प्रक्रिया में मुख्य रूप से निम्नलिखित चरण शामिल हैं: 1. गैस चरण प्रतिक्रिया स्रोत को मुख्य गैस प्रवाह में जमाव क्षेत्र में ले जाया जाता है। 2. गैस चरण प्रतिक्रिया पतली फिल्म अग्रदूतों और उप-उत्पादों को उत्पन्न करने के लिए सीमा परत में होती है। 3. अग्रदूत की अवक्षेपण, सोखना और टूटने की प्रक्रिया। 4. अधिशोषित परमाणु सब्सट्रेट सतह पर विस्थापित होते हैं और पुनर्निर्माण करते हैं। 5. अधिशोषित परमाणु न्यूक्लियेट होते हैं और सब्सट्रेट सतह पर बढ़ते हैं। 6. प्रतिक्रिया के बाद अपशिष्ट गैस का मुख्य गैस प्रवाह क्षेत्र में बड़े पैमाने पर परिवहन और प्रतिक्रिया कक्ष से बाहर निकाला जाता है। चित्र 2 सीवीडी का एक योजनाबद्ध आरेख है [12]।

चित्र 2 सीवीडी का योजनाबद्ध आरेख

उर्ध्वपातन एपिटैक्सी (एसई) विधि: चित्र 3 3सी-एसआईसी तैयार करने के लिए एसई विधि का एक प्रयोगात्मक संरचना आरेख है। मुख्य चरण उच्च तापमान क्षेत्र में SiC स्रोत का अपघटन और उर्ध्वपातन, उर्ध्वपातन का परिवहन, और कम तापमान पर सब्सट्रेट सतह पर उर्ध्वपातन की प्रतिक्रिया और क्रिस्टलीकरण हैं। विवरण इस प्रकार हैं: 6H-SiC या 4H-SiC सब्सट्रेट को क्रूसिबल के शीर्ष पर रखा गया है, औरउच्च शुद्धता वाला SiC पाउडरइसका उपयोग SiC कच्चे माल के रूप में किया जाता है और इसे सबसे नीचे रखा जाता हैग्रेफाइट क्रूसिबल. रेडियो फ्रीक्वेंसी इंडक्शन द्वारा क्रूसिबल को 1900-2100℃ तक गर्म किया जाता है, और सब्सट्रेट तापमान को SiC स्रोत से कम नियंत्रित किया जाता है, जिससे क्रूसिबल के अंदर एक अक्षीय तापमान ढाल बनता है, ताकि सब्लिमेटेड SiC सामग्री सब्सट्रेट पर संघनित और क्रिस्टलीकृत हो सके। 3C-SiC हेटरोएपिटैक्सियल बनाने के लिए।

उर्ध्वपातन एपिटैक्सी के लाभ मुख्य रूप से दो पहलुओं में हैं: 1. एपिटैक्सी तापमान अधिक है, जो क्रिस्टल दोषों को कम कर सकता है; 2. परमाणु स्तर पर एक नक़्क़ाशीदार सतह प्राप्त करने के लिए इसे नक़्क़ाशीदार बनाया जा सकता है। हालाँकि, विकास प्रक्रिया के दौरान, प्रतिक्रिया स्रोत को समायोजित नहीं किया जा सकता है, और सिलिकॉन-कार्बन अनुपात, समय, विभिन्न प्रतिक्रिया अनुक्रम आदि को नहीं बदला जा सकता है, जिसके परिणामस्वरूप विकास प्रक्रिया की नियंत्रणीयता में कमी आती है।

चित्र 3 3C-SiC एपिटैक्सी उगाने के लिए SE विधि का योजनाबद्ध आरेख

आणविक बीम एपिटैक्सी (एमबीई) एक उन्नत पतली फिल्म विकास तकनीक है, जो 4H-SiC या 6H-SiC सब्सट्रेट पर 3C-SiC एपिटैक्सियल परतों को विकसित करने के लिए उपयुक्त है। इस विधि का मूल सिद्धांत है: एक अति-उच्च वैक्यूम वातावरण में, स्रोत गैस के सटीक नियंत्रण के माध्यम से, बढ़ती एपिटैक्सियल परत के तत्वों को एक दिशात्मक परमाणु किरण या आणविक किरण बनाने के लिए गर्म किया जाता है और गर्म सब्सट्रेट सतह पर घटना होती है। एपिटैक्सियल वृद्धि. 3C-SiC बढ़ने की सामान्य स्थितियाँएपिटैक्सियल परतें4H-SiC या 6H-SiC सब्सट्रेट पर हैं: सिलिकॉन-समृद्ध परिस्थितियों में, ग्राफीन और शुद्ध कार्बन स्रोतों को एक इलेक्ट्रॉन गन के साथ गैसीय पदार्थों में उत्तेजित किया जाता है, और 1200-1350 ℃ का उपयोग प्रतिक्रिया तापमान के रूप में किया जाता है। 3C-SiC हेटेरोएपिटैक्सियल वृद्धि 0.01-0.1 nms-1 [13] की वृद्धि दर पर प्राप्त की जा सकती है।

निष्कर्ष और संभावना

निरंतर तकनीकी प्रगति और गहन तंत्र अनुसंधान के माध्यम से, 3C-SiC हेटेरोएपिटैक्सियल तकनीक से सेमीकंडक्टर उद्योग में अधिक महत्वपूर्ण भूमिका निभाने और उच्च दक्षता वाले इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों के विकास को बढ़ावा देने की उम्मीद है। उदाहरण के लिए, नई विकास तकनीकों और रणनीतियों का पता लगाना जारी रखना, जैसे कि कम दोष घनत्व को बनाए रखते हुए विकास दर को बढ़ाने के लिए एचसीएल वातावरण को पेश करना, भविष्य के अनुसंधान की दिशा है; दोष गठन तंत्र पर गहन शोध, और अधिक सटीक दोष नियंत्रण प्राप्त करने और सामग्री गुणों को अनुकूलित करने के लिए फोटोल्यूमिनसेंस और कैथोडोल्यूमिनसेंस विश्लेषण जैसी अधिक उन्नत लक्षण वर्णन तकनीकों का विकास; उच्च-गुणवत्ता वाली मोटी फिल्म 3C-SiC का तेजी से विकास उच्च-वोल्टेज उपकरणों की जरूरतों को पूरा करने की कुंजी है, और विकास दर और सामग्री एकरूपता के बीच संतुलन को दूर करने के लिए और अधिक शोध की आवश्यकता है; SiC/GaN जैसी विषम संरचनाओं में 3C-SiC के अनुप्रयोग के साथ मिलकर, पावर इलेक्ट्रॉनिक्स, ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक एकीकरण और क्वांटम सूचना प्रसंस्करण जैसे नए उपकरणों में इसके संभावित अनुप्रयोगों का पता लगाएं।

सन्दर्भ:

[1] निशिनो एस, हज़ुकी वाई, मत्सुनामी एच, एट अल। स्पटर्ड SiC मध्यवर्ती परत के साथ सिलिकॉन सब्सट्रेट पर एकल क्रिस्टलीय β‐SiC फिल्म्स का रासायनिक वाष्प जमाव [J]। जर्नल ऑफ़ द इलेक्ट्रोकेमिकल सोसाइटी, 1980, 127(12):2674-2680।

[2] ये झिझेन, वांग यादोंग, हुआंग जिंगयुन, और अन्य। सिलिकॉन-आधारित सिलिकॉन कार्बाइड पतली फिल्मों की कम तापमान वृद्धि पर शोध [जे], जर्नल ऑफ वैक्यूम साइंस एंड टेक्नोलॉजी, 2002, 022(001):58-60। .

[3] एन ज़िया, ज़ुआंग हुइझाओ, ली हुआइज़ियांग, एट अल। (111) सी सब्सट्रेट पर मैग्नेट्रोन स्पटरिंग द्वारा नैनो-एसआईसी पतली फिल्मों की तैयारी। शेडोंग नॉर्मल यूनिवर्सिटी का जर्नल: प्राकृतिक विज्ञान संस्करण, 2001: 382-384 ..

[4] सेकी के, अलेक्जेंडर, कोज़ावा एस, एट अल। समाधान वृद्धि में सुपरसैचुरेशन नियंत्रण द्वारा SiC की पॉलीटाइप-चयनात्मक वृद्धि [जे]। जर्नल ऑफ़ क्रिस्टल ग्रोथ, 2012, 360:176-180।

[5] चेन याओ, झाओ फुकियांग, झू बिंगज़ियान, हे शुआई देश और विदेश में सिलिकॉन कार्बाइड बिजली उपकरणों के विकास का अवलोकन [जे]।

[6] ली एक्स, वांग जी। बेहतर आकारिकी के साथ 4एच-सीआईसी सब्सट्रेट्स पर 3 सी-सीआईसी परतों की सीवीडी वृद्धि [जे]। सॉलिड स्टेट कम्युनिकेशंस, 2023:371।

[7] होउ कैवेन। सी पैटर्न वाले सब्सट्रेट और 3सी-सीआईसी विकास में इसके अनुप्रयोग पर शोध [डी]।

[8]लार्स, हिलर, थॉमस, एट अल। 3सी-एसआईसी(100) मेसा संरचनाओं के ईसीआर-नक़्क़ाशी में हाइड्रोजन प्रभाव [जे]। सामग्री विज्ञान फोरम, 2014।

[9] जू क्विंगफैंग। लेजर रासायनिक वाष्प जमाव द्वारा 3सी-एसआईसी पतली फिल्मों की तैयारी [डी]।

[10] फ़ॉइसल ए आर एम, गुयेन टी, दीन्ह टी के, एट अल.3 सी-सी सी/सी हेटरोस्ट्रक्चर: फोटोवोल्टिक प्रभाव पर आधारित स्थिति-संवेदनशील डिटेक्टरों के लिए एक उत्कृष्ट मंच [जे]। एसीएस एप्लाइड मैटेरियल्स एंड इंटरफेस, 2019: 40980-40987।

[11] ज़िन बिन। सीवीडी प्रक्रिया पर आधारित 3सी/4एच-एसआईसी हेटेरोएपिटैक्सियल विकास: दोष लक्षण वर्णन और विकास [डी]।

[12] डोंग लिन। बड़े क्षेत्र की मल्टी-वेफर एपीटैक्सियल ग्रोथ टेक्नोलॉजी और सिलिकॉन कार्बाइड की भौतिक संपत्ति का लक्षण वर्णन, चीनी विज्ञान अकादमी विश्वविद्यालय, 2014।

[13] डायनी एम, साइमन एल, कुबलर एल, एट अल। 6H-SiC(0001) सब्सट्रेट [J] पर 3C-SiC पॉलीटाइप की क्रिस्टल वृद्धि। जर्नल ऑफ़ क्रिस्टल ग्रोथ, 2002, 235(1):95-102।