Heteroepitaxy de 3C-SiC: Forbhreathnú

1. Forbairt Stairiúil 3C-SiC

Léiríonn forbairt 3C-SiC, polytype suntasach de chomhdhúile sileacain, dul chun cinn leanúnach na heolaíochta ábhar leathsheoltóra. Sna 1980í, Nishino et al. ar dtús baineadh amach scannán 3C-SiC 4 µm tiubh ar fhoshraith sileacain ag baint úsáide as sil-leagan ceimiceach gaile (CVD)[1], ag leagan an bhunsraith do theicneolaíocht scannán tanaí 3C-SiC.

Ba iad na 1990idí ré órga do thaighde SiC. Spreag seoladh sliseanna 6H-SiC agus 4H-SiC i 1991 agus 1994, faoi seach, tráchtálú feistí leathsheoltóra SiC mar gheall ar sheoladh Cree Research Inc.. Leag an dul chun cinn teicneolaíochta seo an bhunobair le haghaidh taighde agus feidhmiúcháin 3C-SiC ina dhiaidh sin.

Go luath sa 21ú haois, chonaic scannáin SiC bunaithe ar sileacain dul chun cinn suntasach sa tSín freisin. Sea Zhizhen et al. scannáin déanta SiC ar fhoshraitheanna sileacain ag baint úsáide as CVD ag teochtaí ísle i 2002[2], agus An Xia et al. Bhain torthaí comhchosúla amach trí úsáid a bhaint as sputtering maighnéadrón ag teocht an tseomra i 2001[3].

Mar sin féin, ba chúis leis an neamhréir mór laitíse idir Si agus SiC (thart ar 20%) go raibh dlús ard lochta sa chiseal epitaxial 3C-SiC, go háirithe teorainneacha suite dúbailte (DPBanna). Chun é seo a mhaolú, roghnaigh na taighdeoirí foshraitheanna cosúil le 6H-SiC, 15R-SiC, nó 4H-SiC le treoshuíomh (0001) chun sraitheanna epitaxial 3C-SiC a fhás, rud a laghdódh dlús na lochtanna. Mar shampla, in 2012, rinne Seki, Kazuaki et al. Moladh teicníocht rialaithe ilmhoirfeachta cinéiteach, ag baint amach fás roghnach de shíolta 3C-SiC agus 6H-SiC ar shíolta 6H-SiC(0001) trí fhorsháithiú a rialú[4-5]. I 2023, Xun Li et al. d'éirigh le sraitheanna réidh epitaxial 3C-SiC a fháil saor ó DPBanna ar fhoshraitheanna 4H-SiC ag baint úsáide as fás CVD optamaithe le ráta 14 μm/h[6].

2. Struchtúr Criostail agus Feidhmchláir 3C-SiC

I measc na polytypes iomadúla SiC, is é 3C-SiC, ar a dtugtar β-SiC freisin, an t-aon pholaitíopa ciúbach. Sa struchtúr criostail seo, tá adaimh Si agus C ann i gcóimheas duine le duine, a fhoirmíonn cill aonaid teitrihéadrach le naisc láidre chomhfhiúsacha. Tá déshraitheanna Si-C mar thréith ag an struchtúr agus iad eagraithe i seicheamh ABC-ABC-…, agus tá trí dhéshraith den sórt sin i ngach aonad cill, arna léiriú ag nodaireacht C3. Léiríonn Fíor 1 struchtúr criostail 3C-SiC.

                                                                                                                                                                           Fíor 1. Struchtúr criostail 3C-SiC

Faoi láthair, is é sileacain (Si) an t-ábhar leathsheoltóra is mó a úsáidtear le haghaidh feistí cumhachta. Mar sin féin, cuireann na teorainneacha dúchasacha srian ar a fheidhmíocht. I gcomparáid le 4H-SiC agus 6H-SiC, tá an tsoghluaisteacht leictreoin teoiriciúil is airde ag teocht an tseomra (1000 cm2·V-1·s-1) ag 3C-SiC, rud a fhágann go bhfuil sé níos buntáistí d’fheidhmchláir MOSFET. Ina theannta sin, cuireann a voltas miondealaithe ard, seoltacht theirmeach den scoth, cruas ard, bandáil leathan, friotaíocht ardteochta, agus friotaíocht radaíochta, 3C-SiC an-gealtach le haghaidh feidhmeanna i leictreonaic, optoelectronics, braiteoirí, agus timpeallachtaí foircneacha:

Feidhmchláir Ard-chumhachta, Ard-Minicíochta agus Ardteochta: De bharr ardvoltais miondealaithe 3C-SiC agus soghluaisteacht ard leictreoin tá sé oiriúnach chun feistí cumhachta cosúil le MOSFETanna a mhonarú, go háirithe i dtimpeallachtaí éilitheacha[7].

Nanaileictreonaic agus Córais Micrileictreomeicniúla (MEMS): Ceadaíonn a chomhoiriúnacht le teicneolaíocht sileacain struchtúir nanascála a dhéanamh, rud a chumasaíonn feidhmeanna i bhfeistí nanaleictreonaic agus MEMS[8].

Optaleictreonaic:Mar ábhar leathsheoltóra leathanbhearnach, tá 3C-SiC oiriúnach do dhé-óidí gorma astaithe solais (LEDs). Mar gheall ar éifeachtacht ard lonrúil agus éascaíocht dópála tá sé tarraingteach d’fheidhmchláir i soilsiú, teicneolaíochtaí taispeána, agus léasair[9].

Braiteoirí:Tá 3C-SiC fostaithe i brathadóirí seasamh-íogair, go háirithe brathadóirí láthair léasair-íogair suíomh bunaithe ar an iarmhairt fhótavoltach cliathánach. Léiríonn na brathadóirí seo ardíogaireacht faoi choinníollacha nialais-laofachta, rud a fhágann go bhfuil siad oiriúnach d'fheidhmchláir shuímh bheachtais[10].

3. Modhanna Ullmhúcháin do Heteroepitaxy 3C-SiC

I measc na modhanna coitianta le haghaidh heteroepitaxy 3C-SiC tá sil-leagan ceimiceach gaile (CVD), epitaxy sublimation (SE), epitaxy chéim leachta (LPE), epitaxy léas móilíneach (MBE), agus sputtering maighnéadrón. Is é CVD an modh is fearr le haghaidh epitaxy 3C-SiC mar gheall ar a inrialaitheacht agus a inoiriúnaitheacht i dtéarmaí teochta, sreabhadh gáis, brú seomra, agus am imoibrithe, rud a chuireann ar chumas an cháilíocht ciseal epitaxial a bharrfheabhsú.

Taistil Cheimiceach Gaile (CVD):Cuirtear comhdhúile gásacha ina bhfuil Si agus C isteach i seomra imoibrithe agus téitear iad chuig teochtaí arda, rud a fhágann go ndéantar iad a dhianscaoileadh. Ansin cuireann na hadaimh Si agus C isteach i bhfoshraith, go hiondúil Si, 6H-SiC, 15R-SiC, nó 4H-SiC [11]. Tarlaíonn an t-imoibriú seo de ghnáth idir 1300-1500°C. Áirítear le foinsí coitianta Si SiH4, TCS, agus MTS, agus is iad foinsí C go príomha C2H4 agus C3H8, le H2 mar an gás iompróra. Léiríonn Fíor 2 scéimreach den phróiseas CVD[12].

                                                                                                                                                               Fíor 2. Scéimreach an phróisis CVD

Epitaxy sublimation (SE):Ar an modh seo, cuirtear substráit 6H-SiC nó 4H-SiC ag barr breogán, le púdar SiC ard-íonachta mar bhunábhar ag an mbun. Déantar an breogán a théamh go 1900-2100 ° C trí ionduchtú minicíochta raidió, ag coinneáil teocht an tsubstráit níos ísle ná an teocht foinse chun grádán teochta aiseach a chruthú. Ligeann sé seo do SiC sublimated comhdhlúthú agus criostalú a dhéanamh ar an tsubstráit, ag cruthú an heteroepitaxy 3C-SiC.

Epitaxy Líoma Mhóilíneach (MBE):Tá an teicníocht fáis scannán tanaí seo oiriúnach chun sraitheanna epitaxial 3C-SiC a fhás ar fhoshraitheanna 4H-SiC nó 6H-SiC. Faoi fholús ultra-ard, cuireann rialú beacht ar gháis foinse ar chumas bíomaí adamhacha nó móilíneacha treorach de chomhábhair a fhoirmiú. Tá na bíomaí seo dírithe i dtreo dhromchla an tsubstráit téite le haghaidh fás epitaxial.

4. Conclúid agus Outlook

Le dul chun cinn leanúnach teicneolaíochta agus grinnstaidéir mheicníochta, tá ról ríthábhachtach ag heteroepitaxy 3C-SiC sa tionscal leathsheoltóra, ag tiomáint forbairt gléasanna leictreonacha atá tíosach ar fhuinneamh. Bealach iontach le haghaidh taighde amach anseo is ea iniúchadh a dhéanamh ar theicnící fáis nua, amhail atmaisféir HCl a thabhairt isteach chun rátaí fáis a fheabhsú agus ag an am céanna dlúis lochtanna ísle a choinneáil. Má dhéantar tuilleadh imscrúdaithe ar mheicníochtaí foirmithe lochtanna agus forbairt ardteicnící tréithrithe, beifear in ann rialú beacht a dhéanamh ar lochtanna agus airíonna ábhar optamaithe. Tá fás tapa scannáin 3C-SiC tiubh ard-chaighdeán ríthábhachtach chun freastal ar éilimh feistí ardvoltais, a éilíonn tuilleadh taighde chun aghaidh a thabhairt ar an gcothromaíocht idir ráta fáis agus aonfhoirmeacht ábhair. Trí fheidhmchláir 3C-SiC a ghiaráil i heitreastruchtúr cosúil le SiC/GaN, is féidir iniúchadh iomlán a dhéanamh ar a acmhainneacht i bhfeistí núíosacha ar nós leictreonaic cumhachta, comhtháthú optoelectronic, agus próiseáil faisnéise chandamach.

Tagairtí:

[1] Nishino S , Hazuki Y , Matsunami H ,et al. Gaile Ceimiceach Scannáin β-Sicc Criostalach Aonair a Sheoladh ar Fhoshraith Sileacain le Ciseal Idirmheánach sic sputtered[J]. Iris an Chumainn Leictriceimiceach, 1980, 127(12):2674-2680.

[2] Ye Zhizhen, Wang Yadong, Huang Jingyun, et al. Taighde ar fhás íseal-teocht ar scannáin tanaí chomhdhúile sileacain-bhunaithe [J]. .

[3] An Xia, Zhuang Huizhao, Li Huaixiang, et al ..

[4] Seki K, Alexander, Kozawa S, et al. Fás polytype-roghnach SiC trí fhorsháithiú a rialú i bhfás tuaslagáin[J]. Journal of Crystal Growth, 2012, 360:176-180.

[5] Chen Yao, Zhao Fuqiang, Zhu Bingxian, He Shuai Forbhreathnú ar fhorbairt feistí cumhachta chomhdhúile sileacain sa bhaile agus thar lear [J].

[6] Li X , Wang G .CVD fás sraitheanna 3C-SiC ar fhoshraitheanna 4H-SiC le moirfeolaíocht fheabhsaithe[J].Solid State Communications, 2023:371.

[7] Hou Kaiwen.

[8]Lars, Hiller , Thomas, et al. Éifeachtaí Hidrigineachta in ECR-Eitseáil Struchtúir Mesa 3C-SiC(100)[J].Fóram Eolaíochta Ábhair, 2014.

[9] Xu Qingfang Scannáin tanaí 3C-SiC a ullmhú trí thaisceadh gaile ceimiceach léasair [D].

[10] Foisal A R M , Nguyen T , Dinh T K , et al.3C-SiC/Si Heterostructure: Ardán Sármhaith le haghaidh Brathadóirí Suímhíogair Bunaithe ar Éifeacht Fótavoltach[J].Ábhair Fheidhmeach & Comhéadain ACS, 2019: 40987-4.

[11] Xin Bin.

[12] Dong Lín.

[13] Diani M , Simon L , Kubler L ,et al. Fás criostail de pholaitíopa 3C-SiC ar fhoshraith 6H-SiC(0001)[J]. Journal of Crystal Growth, 2002, 235(1):95-102.