التغاير المتغاير لـ 3C-SiC: نظرة عامة

1. التطور التاريخي لـ 3C-SiC

إن تطوير 3C-SiC، وهو نوع متعدد هام من كربيد السيليكون، يعكس التقدم المستمر في علم مواد أشباه الموصلات. في الثمانينات، نيشينو وآخرون. حقق لأول مرة فيلم 3C-SiC بسمك 4 ميكرومتر على ركيزة من السيليكون باستخدام ترسيب البخار الكيميائي (CVD)[1]، مما وضع الأساس لتقنية الأغشية الرقيقة 3C-SiC.

كانت التسعينيات بمثابة العصر الذهبي لأبحاث SiC. أدى إطلاق شركة Cree Research Inc. لرقائق 6H-SiC و4H-SiC في عامي 1991 و1994، على التوالي، إلى دفع تسويق أجهزة أشباه الموصلات من SiC. لقد وضع هذا التقدم التكنولوجي الأساس للبحث والتطبيقات اللاحقة لـ 3C-SiC.

في أوائل القرن الحادي والعشرين، شهدت أفلام SiC القائمة على السيليكون أيضًا تقدمًا كبيرًا في الصين. يي Zhizhen وآخرون. تم تصنيع أفلام SiC على ركائز السيليكون باستخدام CVD عند درجات حرارة منخفضة في عام 2002 [2]، بينما قام An Xia et al. حقق نتائج مماثلة باستخدام رش المغنطرون في درجة حرارة الغرفة في عام 2001[3].

ومع ذلك، أدى عدم تطابق الشبكة الكبيرة بين Si وSiC (حوالي 20%) إلى كثافة عيب عالية في الطبقة الفوقية 3C-SiC، وخاصة حدود تحديد المواقع المزدوجة (DPBs). وللتخفيف من ذلك، اختار الباحثون ركائز مثل 6H-SiC، أو 15R-SiC، أو 4H-SiC مع اتجاه (0001) لتنمية الطبقات الفوقية 3C-SiC، وبالتالي تقليل كثافة الخلل. على سبيل المثال، في عام 2012، سيكي، كازواكي وآخرون. اقترح تقنية للتحكم في تعدد الأشكال الحركية، مما يحقق نموًا انتقائيًا لـ 3C-SiC و6H-SiC على بذور 6H-SiC(0001) عن طريق التحكم في التشبع الفائق[4-5]. في عام 2023، شون لي وآخرون. تم الحصول بنجاح على طبقات الفوقي 3C-SiC السلسة الخالية من DPBs على ركائز 4H-SiC باستخدام نمو الأمراض القلبية الوعائية الأمثل بمعدل 14 ميكرومتر / ساعة [6].

2. التركيب البلوري وتطبيقات 3C-SiC

من بين الأنواع المتعددة من SiC، 3C-SiC، المعروف أيضًا باسم β-SiC، هو النوع المتعدد المكعب الوحيد. في هذا التركيب البلوري، تتواجد ذرات Si وC بنسبة واحد إلى واحد، لتشكل خلية وحدة رباعية السطوح ذات روابط تساهمية قوية. يتميز الهيكل بطبقات ثنائية Si-C مرتبة في تسلسل ABC-ABC-...، حيث تحتوي كل خلية وحدة على ثلاث طبقات ثنائية من هذا القبيل، يُشار إليها بالرمز C3. يوضح الشكل 1 التركيب البلوري لـ 3C-SiC.

                                                                                                                                                                           الشكل 1. التركيب البلوري لـ 3C-SiC

حاليًا، يعد السيليكون (Si) هو مادة أشباه الموصلات الأكثر استخدامًا على نطاق واسع لأجهزة الطاقة. ومع ذلك، فإن القيود الكامنة فيه تقيد أدائها. بالمقارنة مع 4H-SiC و6H-SiC، يمتلك 3C-SiC أعلى قدرة نظرية على حركة الإلكترون في درجة حرارة الغرفة (1000 سم2·V-1·s-1)، مما يجعله أكثر فائدة لتطبيقات MOSFET. بالإضافة إلى ذلك، فإن جهد الانهيار العالي، والتوصيل الحراري الممتاز، والصلابة العالية، وفجوة النطاق الواسعة، ومقاومة درجات الحرارة العالية، ومقاومة الإشعاع تجعل 3C-SiC واعدة للغاية للتطبيقات في مجال الإلكترونيات والإلكترونيات الضوئية وأجهزة الاستشعار والبيئات القاسية:

تطبيقات الطاقة العالية والتردد العالي ودرجة الحرارة العالية: إن جهد الانهيار العالي وحركة الإلكترون العالية لـ 3C-SiC يجعلها مثالية لتصنيع أجهزة الطاقة مثل الدوائر المتكاملة منخفضة المقاومة (MOSFET)، خاصة في البيئات كثيرة المتطلبات[7].

الإلكترونيات النانوية والأنظمة الكهروميكانيكية الدقيقة (MEMS): توافقه مع تكنولوجيا السيليكون يسمح بتصنيع الهياكل النانوية، مما يتيح التطبيقات في مجال الإلكترونيات النانوية وأجهزة MEMS[8].

الإلكترونيات الضوئية:باعتبارها مادة شبه موصلة ذات فجوة نطاق واسعة، فإن 3C-SiC مناسبة للثنائيات الباعثة للضوء الأزرق (LEDs). إن كفاءتها المضيئة العالية وسهولة تطعيمها تجعلها جذابة للتطبيقات في الإضاءة وتقنيات العرض والليزر[9].

أجهزة الاستشعار:يتم استخدام 3C-SiC في أجهزة الكشف الحساسة للموضع، وخاصةً أجهزة الكشف الحساسة للموضع بالليزر والتي تعتمد على التأثير الكهروضوئي الجانبي. تظهر هذه الكاشفات حساسية عالية في ظل ظروف الانحياز الصفري، مما يجعلها مناسبة لتطبيقات تحديد المواقع بدقة[10].

3. طرق التحضير ل3C-SiC Heteroepitaxy

تشمل الطرق الشائعة للنضوج المتغاير 3C-SiC ترسيب البخار الكيميائي (CVD)، ونضوج التسامي (SE)، ونضوج الطور السائل (LPE)، ونضوج الشعاع الجزيئي (MBE)، والرش المغنطروني. CVD هي الطريقة المفضلة لـ 3C-SiC نظرًا لقدرتها على التحكم والقدرة على التكيف من حيث درجة الحرارة وتدفق الغاز وضغط الغرفة ووقت التفاعل، مما يتيح تحسين جودة الطبقة الفوقي.

ترسيب البخار الكيميائي (CVD):يتم إدخال المركبات الغازية التي تحتوي على Si وC إلى غرفة التفاعل ويتم تسخينها إلى درجات حرارة عالية، مما يؤدي إلى تحللها. يتم بعد ذلك ترسيب ذرات Si وC على الركيزة، عادةً Si أو 6H-SiC أو 15R-SiC أو 4H-SiC [11]. يحدث هذا التفاعل عادة بين 1300-1500 درجة مئوية. تشمل مصادر Si الشائعة SiH4، وTCS، وMTS، في حين أن مصادر C هي في المقام الأول C2H4 وC3H8، مع H2 كغاز حامل. ويصور الشكل 2 مخططًا تخطيطيًا لعملية الأمراض القلبية الوعائية [12].

                                                                                                                                                               الشكل 2. رسم تخطيطي لعملية الأمراض القلبية الوعائية

تنضيد التسامي (SE):في هذه الطريقة، يتم وضع ركيزة 6H-SiC أو 4H-SiC في الجزء العلوي من البوتقة، مع مسحوق SiC عالي النقاء كمواد مصدر في الأسفل. يتم تسخين البوتقة إلى 1900-2100 درجة مئوية عبر تحريض الترددات الراديوية، مع الحفاظ على درجة حرارة الركيزة أقل من درجة حرارة المصدر لإنشاء تدرج في درجة الحرارة المحورية. وهذا يسمح لـ SiC المتسامي بالتكثيف والتبلور على الركيزة، مما يشكل 3C-SiC heteroepitaxy.

تنضيد الشعاع الجزيئي (MBE):تعتبر تقنية نمو الأغشية الرقيقة المتقدمة هذه مناسبة لزراعة الطبقات الفوقية 3C-SiC على ركائز 4H-SiC أو 6H-SiC. في ظل الفراغ العالي للغاية، يتيح التحكم الدقيق في غازات المصدر تكوين حزم ذرية أو جزيئية اتجاهية للعناصر المكونة. يتم توجيه هذه الحزم نحو سطح الركيزة الساخن للنمو الفوقي.

4. الخاتمة والتوقعات

مع التقدم التكنولوجي المستمر والدراسات الميكانيكية المتعمقة، تستعد الفوقية المتغايرة 3C-SiC للعب دور حيوي متزايد في صناعة أشباه الموصلات، مما يؤدي إلى تطوير الأجهزة الإلكترونية الموفرة للطاقة. يعد استكشاف تقنيات نمو جديدة، مثل إدخال أجواء حمض الهيدروكلوريك لتعزيز معدلات النمو مع الحفاظ على كثافات العيوب المنخفضة، وسيلة واعدة للأبحاث المستقبلية. إن إجراء المزيد من التحقيقات في آليات تكوين العيوب وتطوير تقنيات التوصيف المتقدمة سيمكن من التحكم الدقيق في العيوب وتحسين خصائص المواد. يعد النمو السريع لأفلام 3C-SiC عالية الجودة والسميكة أمرًا بالغ الأهمية لتلبية متطلبات الأجهزة ذات الجهد العالي، مما يتطلب مزيدًا من البحث لمعالجة التوازن بين معدل النمو وتوحيد المواد. من خلال الاستفادة من تطبيقات 3C-SiC في الهياكل المتغايرة مثل SiC/GaN، يمكن استكشاف إمكاناتها في الأجهزة الجديدة مثل إلكترونيات الطاقة، والتكامل الإلكتروني البصري، ومعالجة المعلومات الكمومية بشكل كامل.

مراجع:

[1] نيشينو إس، هازوكي واي، ماتسوامي إتش، وآخرون. ترسيب البخار الكيميائي لأفلام β-SiC البلورية المفردة على ركيزة السيليكون مع طبقة متوسطة من SiC المرقطة [J]. مجلة الجمعية الكهروكيميائية، 1980، 127(12):2674-2680.

[2] يي زيزين، وانغ يادونغ، هوانغ جينغيون، وآخرون. بحث حول النمو في درجات الحرارة المنخفضة للأغشية الرقيقة من كربيد السيليكون [J]. مجلة علوم وتكنولوجيا الفراغ، 2002، 022(001):58-60 .

[3] An Xia, Zhuang Huizhao, Li Huaixiang, et al. تحضير أغشية رقيقة من كربيد النانو بواسطة رش المغنطرون على ركيزة Si (111) [J]. مجلة جامعة شاندونغ العادية: إصدار العلوم الطبيعية، 2001: 382-384 ..

[4] سيكي ك، ألكسندر، كوزاوا إس، وآخرون. النمو الانتقائي للأنواع المتعددة من SiC عن طريق التحكم في التشبع الفائق في نمو المحلول [J]. مجلة النمو البلوري، 2012، 360: 176-180.

[5] تشين ياو، تشاو فوكيانغ، تشو بينج شيان، هي شواي نظرة عامة على تطوير أجهزة طاقة كربيد السيليكون في الداخل والخارج [J].

[6] Li X، Wang G. نمو CVD لطبقات 3C-SiC على ركائز 4H-SiC مع مورفولوجيا محسنة[J].اتصالات الحالة الصلبة، 2023:371.

[7] هوى كايوين بحث عن الركيزة المنقوشة من مادة Si وتطبيقها في نمو 3C-SiC [D]، جامعة شيان للتكنولوجيا، 2018.

[8] لارس، هيلر، توماس، وآخرون. تأثيرات الهيدروجين في نقش ECR لهياكل ميسا 3C-SiC(100) [J]. منتدى علوم المواد، 2014.

[9] شو تشينغ فانغ. تحضير الأغشية الرقيقة 3C-SiC بواسطة ترسيب البخار الكيميائي بالليزر [D]، جامعة ووهان للتكنولوجيا، 2016.

[10] Foisal ARM , Nguyen T , Dinh T K ,et al.3C-SiC/Si Heterostructure: منصة ممتازة للكاشفات الحساسة للموضع بناءً على التأثير الكهروضوئي [J].ACS Applied Materials & Interfaces, 2019: 40980-40987.

[11] شين بن. النمو الفوقي المحوري 3C/4H-SiC بناءً على عملية الأمراض القلبية الوعائية: توصيف الخلل وتطوره [D].

[12] دونغ لين. تكنولوجيا النمو الفوقي متعدد الرقائق ذات مساحة كبيرة وتوصيف الخصائص الفيزيائية لكربيد السيليكون [D].

[13] دياني إم، سيمون إل، كوبلر إل، وآخرون. نمو بلوري للأنواع المتعددة 3C-SiC على الركيزة 6H-SiC(0001) [J]. مجلة النمو البلوري، 2002، 235(1):95-102.