Heteroepit Wax của 3C-SiC: Tổng quan

1. Lịch sử phát triển của 3C-SiC

Sự phát triển của 3C-SiC, một dạng polytype quan trọng của cacbua silic, phản ánh sự tiến bộ không ngừng của khoa học vật liệu bán dẫn. Vào những năm 1980, Nishino và cộng sự. lần đầu tiên đạt được màng 3C-SiC dày 4 μm trên đế silicon bằng phương pháp lắng đọng hơi hóa học (CVD)[1], đặt nền móng cho công nghệ màng mỏng 3C-SiC.

Những năm 1990 đánh dấu thời kỳ hoàng kim cho nghiên cứu SiC. Việc Cree Research Inc. ra mắt chip 6H-SiC và 4H-SiC lần lượt vào năm 1991 và 1994 đã thúc đẩy quá trình thương mại hóa các thiết bị bán dẫn SiC. Tiến bộ công nghệ này đã đặt nền móng cho nghiên cứu và ứng dụng tiếp theo của 3C-SiC.

Vào đầu thế kỷ 21, màng SiC dựa trên silicon cũng có những tiến bộ đáng kể ở Trung Quốc. Ye Zhizhen và cộng sự. chế tạo màng SiC trên đế silicon sử dụng CVD ở nhiệt độ thấp vào năm 2002[2], trong khi An Xia et al. đạt được kết quả tương tự khi sử dụng phương pháp phún xạ magnetron ở nhiệt độ phòng vào năm 2001[3].

Tuy nhiên, sự không khớp mạng lớn giữa Si và SiC (khoảng 20%) đã dẫn đến mật độ khuyết tật cao trong lớp epiticular 3C-SiC, đặc biệt là ranh giới định vị kép (DPB). Để giảm thiểu điều này, các nhà nghiên cứu đã chọn các chất nền như 6H-SiC, 15R-SiC hoặc 4H-SiC với hướng (0001) để phát triển các lớp epiticular 3C-SiC, nhờ đó làm giảm mật độ khuyết tật. Ví dụ, vào năm 2012, Seki, Kazuaki et al. đề xuất một kỹ thuật kiểm soát đa hình động học, đạt được sự tăng trưởng có chọn lọc của 3C-SiC và 6H-SiC trên hạt 6H-SiC(0001) bằng cách kiểm soát quá trình siêu bão hòa [4-5]. Vào năm 2023, Xun Li và cộng sự. đã thu được thành công các lớp epiticular 3C-SiC mịn không có DPB trên chất nền 4H-SiC bằng cách sử dụng tốc độ tăng trưởng CVD được tối ưu hóa với tốc độ 14 μm/h [6].

2. Cấu trúc tinh thể và ứng dụng của 3C-SiC

Trong số rất nhiều polytype SiC, 3C-SiC, còn được gọi là β-SiC, là polytype lập phương duy nhất. Trong cấu trúc tinh thể này, các nguyên tử Si và C tồn tại theo tỷ lệ 1-1, tạo thành một ô đơn vị tứ diện có liên kết cộng hóa trị mạnh. Cấu trúc được đặc trưng bởi các lớp kép Si-C được sắp xếp theo trình tự ABC-ABC-…, với mỗi ô đơn vị chứa ba lớp kép như vậy, được biểu thị bằng ký hiệu C3. Hình 1 minh họa cấu trúc tinh thể của 3C-SiC.

                                                                                                                                                                           Hình 1. Cấu trúc tinh thể của 3C-SiC

Hiện nay, silicon (Si) là vật liệu bán dẫn được sử dụng rộng rãi nhất cho các thiết bị điện. Tuy nhiên, những hạn chế vốn có của nó hạn chế hiệu suất của nó. So với 4H-SiC và 6H-SiC, 3C-SiC có độ linh động điện tử theo lý thuyết cao nhất ở nhiệt độ phòng (1000 cm2·V-1·s-1), khiến nó có lợi thế hơn cho các ứng dụng MOSFET. Ngoài ra, điện áp đánh thủng cao, độ dẫn nhiệt tuyệt vời, độ cứng cao, dải tần rộng, khả năng chịu nhiệt độ cao và khả năng chống bức xạ khiến 3C-SiC có triển vọng cao cho các ứng dụng trong điện tử, quang điện tử, cảm biến và môi trường khắc nghiệt:

Các ứng dụng công suất cao, tần số cao và nhiệt độ cao: Điện áp đánh thủng cao và độ linh động điện tử cao của 3C-SiC khiến nó trở nên lý tưởng để sản xuất các thiết bị điện như MOSFET, đặc biệt là trong các môi trường đòi hỏi khắt khe[7].

Hệ thống điện tử nano và vi cơ điện tử (MEMS): Khả năng tương thích của nó với công nghệ silicon cho phép chế tạo các cấu trúc có kích thước nano, cho phép ứng dụng trong các thiết bị điện tử nano và MEMS [8].

Quang điện tử:Là vật liệu bán dẫn có dải rộng, 3C-SiC thích hợp cho điốt phát sáng màu xanh lam (đèn LED). Hiệu suất phát sáng cao và dễ pha tạp khiến nó trở nên hấp dẫn đối với các ứng dụng trong chiếu sáng, công nghệ hiển thị và laser [9].

Cảm biến:3C-SiC được sử dụng trong các máy dò nhạy cảm với vị trí, đặc biệt là các máy dò nhạy cảm với vị trí điểm laser dựa trên hiệu ứng quang điện ngang. Những máy dò này thể hiện độ nhạy cao trong điều kiện sai lệch bằng 0, khiến chúng phù hợp với các ứng dụng định vị chính xác [10].

3. Phương pháp điều chế dị thể 3C-SiC

Các phương pháp phổ biến đối với dị vòng 3C-SiC bao gồm lắng đọng hơi hóa học (CVD), epit Wax thăng hoa (SE), epit Wax pha lỏng (LPE), epit Wax chùm phân tử (MBE) và phún xạ magnetron. CVD là phương pháp ưa thích cho epitaxis 3C-SiC do khả năng kiểm soát và khả năng thích ứng của nó về nhiệt độ, lưu lượng khí, áp suất buồng và thời gian phản ứng, cho phép tối ưu hóa chất lượng lớp epiticular.

Lắng đọng hơi hóa học (CVD):Các hợp chất khí chứa Si và C được đưa vào buồng phản ứng và đun nóng đến nhiệt độ cao, dẫn đến sự phân hủy của chúng. Các nguyên tử Si và C sau đó lắng đọng trên chất nền, điển hình là Si, 6H-SiC, 15R-SiC hoặc 4H-SiC [11]. Phản ứng này thường xảy ra ở nhiệt độ 1300-1500°C. Các nguồn Si phổ biến bao gồm SiH4, TCS và MTS, trong khi nguồn C chủ yếu là C2H4 và C3H8, với H2 là khí mang. Hình 2 mô tả sơ đồ của quá trình CVD [12].

                                                                                                                                                               Hình 2. Sơ đồ quy trình CVD

Epitaxy thăng hoa (SE):Trong phương pháp này, chất nền 6H-SiC hoặc 4H-SiC được đặt ở trên cùng của nồi nấu kim loại, với bột SiC có độ tinh khiết cao làm nguyên liệu gốc ở phía dưới. Nồi nấu kim loại được làm nóng đến 1900-2100°C thông qua cảm ứng tần số vô tuyến, duy trì nhiệt độ bề mặt thấp hơn nhiệt độ nguồn để tạo ra gradient nhiệt độ dọc trục. Điều này cho phép SiC thăng hoa ngưng tụ và kết tinh trên chất nền, tạo thành dị thể 3C-SiC.

Epit Wax chùm phân tử (MBE):Kỹ thuật tăng trưởng màng mỏng tiên tiến này phù hợp để phát triển các lớp epiticular 3C-SiC trên đế 4H-SiC hoặc 6H-SiC. Trong điều kiện chân không cực cao, việc kiểm soát chính xác nguồn khí cho phép hình thành các chùm nguyên tử hoặc phân tử định hướng của các nguyên tố cấu thành. Các chùm tia này hướng tới bề mặt chất nền được làm nóng để tăng trưởng epiticular.

4. Kết luận và triển vọng

Với những tiến bộ công nghệ liên tục và các nghiên cứu cơ học chuyên sâu, dị thể 3C-SiC sẵn sàng đóng một vai trò ngày càng quan trọng trong ngành bán dẫn, thúc đẩy sự phát triển của các thiết bị điện tử tiết kiệm năng lượng. Khám phá các kỹ thuật tăng trưởng mới, chẳng hạn như đưa vào khí quyển HCl để nâng cao tốc độ tăng trưởng trong khi vẫn duy trì mật độ khuyết tật thấp, là một hướng đi đầy hứa hẹn cho nghiên cứu trong tương lai. Nghiên cứu sâu hơn về cơ chế hình thành khuyết tật và phát triển các kỹ thuật mô tả đặc tính tiên tiến sẽ cho phép kiểm soát khuyết tật chính xác và tối ưu hóa các đặc tính vật liệu. Sự phát triển nhanh chóng của màng 3C-SiC dày, chất lượng cao là rất quan trọng để đáp ứng nhu cầu của các thiết bị điện áp cao, đòi hỏi phải nghiên cứu sâu hơn để giải quyết sự cân bằng giữa tốc độ tăng trưởng và tính đồng nhất của vật liệu. Bằng cách tận dụng các ứng dụng của 3C-SiC trong các cấu trúc dị thể như SiC/GaN, tiềm năng của nó trong các thiết bị mới như điện tử công suất, tích hợp quang điện tử và xử lý thông tin lượng tử có thể được khám phá đầy đủ.

Tài liệu tham khảo:

[1] Nishino S, Hazuki Y, Matsunami H, và những người khác. Sự lắng đọng hơi hóa học của màng β-SiC đơn tinh thể trên đế silicon với lớp trung gian SiC phún xạ[J].Tạp chí của Hiệp hội Điện hóa, 1980, 127(12):2674-2680.

[2] Ye Zhizhen, Wang Yadong, Huang Jingyun, et al. Nghiên cứu về sự tăng trưởng ở nhiệt độ thấp của màng mỏng cacbua silic gốc silicon [J]. .

[3] An Xia, Zhuang Huizhao, Li Huaixiang, et al. Chế tạo màng mỏng nano-SiC bằng phương pháp phún xạ magnetron trên đế Si [J]. ..

[4] Seki K, Alexander, Kozawa S, và những người khác. Sự tăng trưởng có chọn lọc của SiC bằng cách kiểm soát quá trình siêu bão hòa trong quá trình tăng trưởng dung dịch [J]. Tạp chí Tăng trưởng Tinh thể, 2012, 360:176-180.

[5] Chen Yao, Zhao Fuqiang, Zhu Bingxian, He Shuai. Tổng quan về sự phát triển của các thiết bị năng lượng cacbua silic trong và ngoài nước [J]. Công nghệ xe và năng lượng, 2020: 49-54.

[6] Li X, Wang G .CVD tăng trưởng của các lớp 3C-SiC trên chất nền 4H-SiC với hình thái được cải thiện[J].Solid State Communications, 2023:371.

[7] Hou Kaiwen. Nghiên cứu về chất nền có hoa văn Si và ứng dụng của nó trong tăng trưởng 3C-SiC [D].

[8]Lars, Hiller , Thomas, và cộng sự. Hiệu ứng hydro trong quá trình khắc ECR của cấu trúc Mesa 3C-SiC(100)[J]. Diễn đàn khoa học vật liệu, 2014.

[9] Xu Qingfang. Chế tạo màng mỏng 3C-SiC bằng phương pháp lắng đọng hơi hóa học bằng laser [D] Đại học Công nghệ Vũ Hán, 2016.

[10] Foisal A RM , Nguyen T , Dinh T K ,et al.3C-SiC/Si Cấu trúc dị thể: Một nền tảng tuyệt vời cho máy dò vị trí nhạy cảm dựa trên hiệu ứng quang điện[J]. Giao diện và vật liệu ứng dụng ACS, 2019: 40980-40987.

[11] Xin Bin. Sự tăng trưởng dị vòng 3C/4H-SiC dựa trên quá trình CVD: đặc tính và sự tiến hóa của khuyết tật [D].

[12] Dong Lin. Công nghệ tăng trưởng epiticular đa wafer diện tích lớn và đặc tính vật lý của silicon Carbide [D].

[13] Diani M, Simon L, Kubler L, và cộng sự. Sự phát triển tinh thể của polytype 3C-SiC trên đế 6H-SiC(0001)[J]. Tạp chí Tăng trưởng Tinh thể, 2002, 235(1):95-102.