3C-SiC चे हेटरोएपिटॅक्सी: एक विहंगावलोकन

1. 3C-SiC चा ऐतिहासिक विकास

3C-SiC चा विकास, सिलिकॉन कार्बाइडचा एक महत्त्वपूर्ण पॉलीटाइप, अर्धसंवाहक सामग्री विज्ञानाच्या निरंतर प्रगतीचे प्रतिबिंबित करतो. 1980 च्या दशकात, निशिनो आणि इतर. रासायनिक वाष्प निक्षेप (CVD)[1] वापरून सिलिकॉन सब्सट्रेटवर प्रथम 4 μm जाडीची 3C-SiC फिल्म मिळवली, 3C-SiC पातळ-फिल्म तंत्रज्ञानाचा पाया रचला.

1990 चे दशक SiC संशोधनासाठी सुवर्णकाळ म्हणून ओळखले गेले. क्री रिसर्च इंक.ने 1991 आणि 1994 मध्ये अनुक्रमे 6H-SiC आणि 4H-SiC चिप्स लाँच केल्यामुळे, SiC सेमीकंडक्टर उपकरणांचे व्यापारीकरण झाले. या तांत्रिक प्रगतीने त्यानंतरच्या संशोधन आणि 3C-SiC च्या अनुप्रयोगांसाठी पाया घातला.

21 व्या शतकाच्या सुरुवातीस, चीनमध्ये सिलिकॉन-आधारित SiC चित्रपटांचीही लक्षणीय प्रगती झाली. ये झिझेन वगैरे. 2002 मध्ये कमी तापमानात CVD वापरून सिलिकॉन सब्सट्रेट्सवर बनावट SiC फिल्म्स[2], तर An Xia et al. 2001 मध्ये खोलीच्या तपमानावर मॅग्नेट्रॉन स्पटरिंग वापरून समान परिणाम प्राप्त केले[3].

तथापि, Si आणि SiC (अंदाजे 20%) मधील मोठ्या जाळीच्या विसंगतीमुळे 3C-SiC एपिटॅक्सियल लेयरमध्ये, विशेषत: दुहेरी स्थिती सीमा (DPBs) मध्ये उच्च दोष घनता निर्माण झाली. हे कमी करण्यासाठी, संशोधकांनी 6H-SiC, 15R-SiC, किंवा 4H-SiC सारख्या सबस्ट्रेट्सची निवड केली ज्यामध्ये 3C-SiC एपिटॅक्सियल लेयर्स वाढवण्यासाठी (0001) अभिमुखता आहे, ज्यामुळे दोष घनता कमी होते. उदाहरणार्थ, 2012 मध्ये, सेकी, काझुआकी आणि इतर. सुपरसॅच्युरेशन[4-5] नियंत्रित करून 6H-SiC(0001) बियाण्यांवर 3C-SiC आणि 6H-SiC ची निवडक वाढ साध्य करून, गतीशील बहुरूपी नियंत्रण तंत्र प्रस्तावित केले. 2023 मध्ये, Xun Li et al. 14 μm/h दराने ऑप्टिमाइझ CVD ग्रोथ वापरून 4H-SiC सबस्ट्रेट्सवर DPBs मुक्त गुळगुळीत 3C-SiC एपिटॅक्सियल स्तर यशस्वीरित्या प्राप्त केले[6].

2. 3C-SiC चे क्रिस्टल स्ट्रक्चर आणि ऍप्लिकेशन्स

असंख्य SiC पॉलीटाइपपैकी, 3C-SiC, ज्याला β-SiC असेही म्हणतात, हा एकमेव घन पॉलीटाइप आहे. या क्रिस्टल रचनेत, Si आणि C अणू एक ते एक गुणोत्तरामध्ये अस्तित्वात आहेत, मजबूत सहसंयोजक बंधांसह टेट्राहेड्रल युनिट सेल तयार करतात. रचना ABC-ABC-... क्रमाने मांडलेल्या Si-C बाईलेअर्स द्वारे वैशिष्ट्यीकृत आहे, प्रत्येक युनिट सेलमध्ये असे तीन bilayers असतात, C3 नोटेशन द्वारे दर्शविले जातात. आकृती 1 3C-SiC ची क्रिस्टल रचना स्पष्ट करते.

                                                                                                                                                                           आकृती 1. 3C-SiC ची क्रिस्टल रचना

सध्या, सिलिकॉन (Si) ही पॉवर उपकरणांसाठी सर्वाधिक वापरली जाणारी अर्धसंवाहक सामग्री आहे. तथापि, त्याच्या अंतर्निहित मर्यादा त्याच्या कार्यक्षमतेवर मर्यादा घालतात. 4H-SiC आणि 6H-SiC च्या तुलनेत, 3C-SiC मध्ये खोलीच्या तपमानावर (1000 cm2·V-1·s-1) सर्वाधिक सैद्धांतिक इलेक्ट्रॉन गतिशीलता आहे, ज्यामुळे MOSFET अनुप्रयोगांसाठी ते अधिक फायदेशीर ठरते. याव्यतिरिक्त, त्याचे उच्च ब्रेकडाउन व्होल्टेज, उत्कृष्ट थर्मल चालकता, उच्च कडकपणा, रुंद बँडगॅप, उच्च-तापमान प्रतिरोध आणि रेडिएशन प्रतिरोध 3C-SiC इलेक्ट्रॉनिक्स, ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक्स, सेन्सर्स आणि अत्यंत वातावरणातील अनुप्रयोगांसाठी अत्यंत आशादायक बनवते:

उच्च-शक्ती, उच्च-वारंवारता आणि उच्च-तापमान अनुप्रयोग: 3C-SiC चे उच्च ब्रेकडाउन व्होल्टेज आणि उच्च इलेक्ट्रॉन गतिशीलता हे MOSFET सारख्या उर्जा उपकरणांच्या निर्मितीसाठी आदर्श बनवते, विशेषतः मागणी असलेल्या वातावरणात[7].

नॅनोइलेक्ट्रॉनिक्स आणि मायक्रोइलेक्ट्रोमेकॅनिकल सिस्टम (MEMS): सिलिकॉन तंत्रज्ञानासह त्याची सुसंगतता नॅनोस्केल स्ट्रक्चर्स तयार करण्यास परवानगी देते, नॅनोइलेक्ट्रॉनिक्स आणि MEMS उपकरणांमध्ये अनुप्रयोग सक्षम करते[8].

ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक्स:वाइड-बँडगॅप सेमीकंडक्टर सामग्री म्हणून, 3C-SiC निळ्या प्रकाश-उत्सर्जक डायोडसाठी (LEDs) योग्य आहे. त्याची उच्च चमकदार कार्यक्षमता आणि डोपिंगची सहजता यामुळे प्रकाश, प्रदर्शन तंत्रज्ञान आणि लेझर[9] मधील अनुप्रयोगांसाठी ते आकर्षक बनते.

सेन्सर्स:3C-SiC पोझिशन-सेन्सिटिव्ह डिटेक्टरमध्ये, विशेषतः लेसर स्पॉट पोझिशन-सेन्सिटिव्ह डिटेक्टरमध्ये पार्श्व फोटोव्होल्टेइक प्रभावावर आधारित आहे. हे डिटेक्टर शून्य पूर्वाग्रह परिस्थितीत उच्च संवेदनशीलता प्रदर्शित करतात, ज्यामुळे ते अचूक स्थिती निर्धारण अनुप्रयोगांसाठी योग्य बनतात[10].

3. 3C-SiC Heteroepitaxy साठी तयारी पद्धती

3C-SiC heteroepitaxy साठी सामान्य पद्धतींमध्ये रासायनिक वाष्प जमा करणे (CVD), सबलिमेशन एपिटॅक्सी (SE), लिक्विड फेज एपिटॅक्सी (LPE), आण्विक बीम एपिटॅक्सी (MBE), आणि मॅग्नेट्रॉन स्पटरिंग यांचा समावेश होतो. CVD ही 3C-SiC epitaxy साठी पसंतीची पद्धत आहे कारण ती नियंत्रणक्षमता आणि तापमान, वायू प्रवाह, चेंबर प्रेशर आणि प्रतिक्रिया वेळ यांच्या दृष्टीने अनुकूलतेमुळे, एपिटॅक्सियल लेयर गुणवत्तेचे ऑप्टिमायझेशन सक्षम करते.

रासायनिक वाष्प निक्षेप (CVD):Si आणि C असलेली वायू संयुगे प्रतिक्रिया कक्षेत आणली जातात आणि उच्च तापमानाला गरम केली जातात, ज्यामुळे त्यांचे विघटन होते. Si आणि C अणू नंतर सब्सट्रेटवर जमा होतात, विशेषत: Si, 6H-SiC, 15R-SiC, किंवा 4H-SiC [११]. ही प्रतिक्रिया साधारणपणे 1300-1500°C दरम्यान होते. सामान्य Si स्त्रोतांमध्ये SiH4, TCS आणि MTS यांचा समावेश होतो, तर C स्रोत प्रामुख्याने C2H4 आणि C3H8 आहेत, H2 वाहक वायू म्हणून. आकृती 2 CVD प्रक्रियेची योजनाबद्ध चित्रण करते[12].

                                                                                                                                                               आकृती 2. CVD प्रक्रियेची योजनाबद्ध

सबलिमेशन एपिटॅक्सी (SE):या पद्धतीमध्ये, क्रुसिबलच्या शीर्षस्थानी 6H-SiC किंवा 4H-SiC सब्सट्रेट ठेवला जातो, ज्यामध्ये तळाशी स्त्रोत सामग्री म्हणून उच्च-शुद्धता SiC पावडर असते. रेडिओ फ्रिक्वेन्सी इंडक्शनद्वारे क्रूसिबल 1900-2100°C पर्यंत गरम केले जाते, अक्षीय तापमान ग्रेडियंट तयार करण्यासाठी सब्सट्रेटचे तापमान स्त्रोत तापमानापेक्षा कमी राखले जाते. हे 3C-SiC heteroepitaxy तयार करून सब्सट्रेटवर सब्लिमिटेड SiC कंडेन्स आणि स्फटिक बनविण्यास अनुमती देते.

आण्विक बीम एपिटॅक्सी (MBE):हे प्रगत पातळ-फिल्म ग्रोथ तंत्र 4H-SiC किंवा 6H-SiC सब्सट्रेट्सवर 3C-SiC एपिटॅक्सियल लेयर वाढवण्यासाठी योग्य आहे. अल्ट्रा-हाय व्हॅक्यूम अंतर्गत, स्त्रोत वायूंचे अचूक नियंत्रण घटक घटकांचे दिशात्मक अणू किंवा आण्विक बीम तयार करण्यास सक्षम करते. एपिटॅक्सियल वाढीसाठी हे बीम तापलेल्या सब्सट्रेट पृष्ठभागाकडे निर्देशित केले जातात.

4. निष्कर्ष आणि आउटलुक

सतत तांत्रिक प्रगती आणि सखोल यांत्रिकी अभ्यासांसह, 3C-SiC heteroepitaxy ऊर्जा-कार्यक्षम इलेक्ट्रॉनिक उपकरणांच्या विकासास चालना देत, सेमीकंडक्टर उद्योगात महत्त्वाची भूमिका बजावण्यासाठी तयार आहे. कमी दोष घनता राखून विकास दर वाढविण्यासाठी एचसीएल वातावरणाचा परिचय करून देणे यासारख्या नवीन वाढीच्या तंत्रांचा शोध घेणे, भविष्यातील संशोधनासाठी एक आशादायक मार्ग आहे. दोष निर्मिती यंत्रणा आणि प्रगत व्यक्तिचित्रण तंत्राचा विकास तंतोतंत दोष नियंत्रण आणि ऑप्टिमाइझ केलेले भौतिक गुणधर्म सक्षम करेल. उच्च-गुणवत्तेच्या, जाड 3C-SiC चित्रपटांची जलद वाढ उच्च-व्होल्टेज उपकरणांची मागणी पूर्ण करण्यासाठी महत्त्वपूर्ण आहे, वाढीचा दर आणि भौतिक एकरूपता यांच्यातील समतोल साधण्यासाठी पुढील संशोधन आवश्यक आहे. SiC/GaN सारख्या heterostructures मध्ये 3C-SiC च्या ऍप्लिकेशन्सचा फायदा घेऊन, पॉवर इलेक्ट्रॉनिक्स, ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक इंटिग्रेशन आणि क्वांटम इन्फॉर्मेशन प्रोसेसिंग सारख्या नवीन उपकरणांमध्ये त्याची क्षमता पूर्णपणे शोधली जाऊ शकते.

संदर्भ:

[१] निशिनो एस, हाझुकी वाई, मात्सुनामी एच, इत्यादी. सिलिकॉन सब्सट्रेट ऑन सिलिकॉन सब्सट्रेट विथ स्पटर्ड SiC इंटरमीडिएट लेयर[जे]. जर्नल ऑफ द इलेक्ट्रोकेमिकल सोसायटी, 1980, 127(12):2674-2680.

[२] ये झिझेन, वांग याडोंग, हुआंग जिंगयुन, एट अल. सिलिकॉन-आधारित सिलिकॉन कार्बाइड पातळ फिल्म्सचे संशोधन, 2002, 022(001):58-60. .

[३] An Xia, Zhuang Huizhao, Li Huaixiang, et al. magnetron sputtering द्वारे नॅनो-SiC पातळ फिल्म्स तयार करणे (111) Si substrate [J] शेडोंग नॉर्मल युनिव्हर्सिटीचे जर्नल: 2001: 382-384. ..

[४] सेकी के, अलेक्झांडर, कोझावा एस, इ. सोल्यूशन ग्रोथ[J] मध्ये सुपरसॅच्युरेशन कंट्रोलद्वारे SiC ची पॉलिटाइप-सिलेक्टिव्ह वाढ. जर्नल ऑफ क्रिस्टल ग्रोथ, 2012, 360:176-180.

[५] चेन याओ, झाओ फुकियांग, झू बिंग्झियान, हे शुई देश-विदेशात सिलिकॉन कार्बाइड पॉवर उपकरणांच्या विकासाचा आढावा, 2020: 49-54.

[६] Li X , Wang G .CVD 4H-SiC थरांवर 3C-SiC स्तरांची वाढ सुधारित आकारविज्ञान [J]. सॉलिड स्टेट कम्युनिकेशन्स, 2023:371.

[७] सिआन युनिव्हर्सिटी ऑफ टेक्नॉलॉजी, 2018 मध्ये सी पॅटर्नयुक्त सब्सट्रेट आणि त्याचा वापर.

[८]लार्स, हिलर, थॉमस, इ. 3C-SiC(100) मेसा स्ट्रक्चर्सच्या ECR-इचिंगमध्ये हायड्रोजन प्रभाव[J].मटेरिअल्स सायन्स फोरम, 2014.

[९] Xu Qingfang 3C-SiC पातळ फिल्म्सची लेसर रासायनिक वाष्प जमा करून तयार करणे [D] वुहान युनिव्हर्सिटी ऑफ टेक्नॉलॉजी, 2016.

[१०] Foisal A R M, Nguyen T, Dinh T K, et al.3C-SiC/Si हेटरोस्ट्रक्चर: फोटोव्होल्टेइक प्रभाव[J].ACS अप्लाइड मटेरिअल्स आणि इंटरफेस, 2019: 4098-4097 वर आधारित पोझिशन-सेन्सिटिव्ह डिटेक्टर्ससाठी एक उत्कृष्ट प्लॅटफॉर्म

[११] Xin Bin 3C/4H-SiC हेटरोएपिटॅक्सियल ग्रोथ CVD प्रक्रियेवर आधारित: दोष वैशिष्ट्यपूर्ण आणि उत्क्रांती [डी] इलेक्ट्रॉनिक विज्ञान आणि तंत्रज्ञान.

[१२] लार्ज-एरिया मल्टी-वेफर एपिटॅक्सियल ग्रोथ टेक्नॉलॉजी आणि सिलिकॉन कार्बाइड [डी] युनिव्हर्सिटी ऑफ सायन्सेस, 2014.

[१३] डायनी एम, सायमन एल, कुबलर एल, इ. 6H-SiC(0001) सब्सट्रेट[J] वर 3C-SiC पॉलिटाइपची क्रिस्टल वाढ. जर्नल ऑफ क्रिस्टल ग्रोथ, 2002, 235(1):95-102.