3C-SiC'nin Heteroepitaksisi: Genel Bir Bakış

1. 3C-SiC'nin Tarihsel Gelişimi

Silisyum karbürün önemli bir politipi olan 3C-SiC'nin gelişimi, yarı iletken malzeme biliminin sürekli ilerlemesini yansıtmaktadır. 1980'lerde Nishino ve ark. ilk olarak kimyasal buhar biriktirme (CVD)[1] kullanarak silikon bir substrat üzerinde 4 μm kalınlığında 3C-SiC film elde ederek 3C-SiC ince film teknolojisinin temelini attı.

1990'lar SiC araştırmaları için altın bir çağ oldu. Cree Research Inc.'in sırasıyla 1991 ve 1994'te 6H-SiC ve 4H-SiC çiplerini piyasaya sürmesi, SiC yarı iletken cihazların ticarileştirilmesini hızlandırdı. Bu teknolojik ilerleme, 3C-SiC'nin daha sonraki araştırma ve uygulamalarının temelini oluşturdu.

21. yüzyılın başlarında silikon bazlı SiC filmleri de Çin'de önemli ilerleme kaydetti. Ye Zhizhen ve ark. 2002'de düşük sıcaklıklarda CVD kullanarak silikon substratlar üzerinde SiC filmler üretti[2], An Xia ve ark. 2001 yılında oda sıcaklığında magnetron püskürtme kullanarak benzer sonuçlar elde etti[3].

Bununla birlikte, Si ve SiC arasındaki büyük kafes uyumsuzluğu (yaklaşık %20), 3C-SiC epitaksiyel katmanında, özellikle çift konumlandırma sınırlarında (DPB'ler) yüksek kusur yoğunluğuna yol açtı. Bunu hafifletmek için araştırmacılar, 3C-SiC epitaksiyel katmanları büyütmek için (0001) yönelimli 6H-SiC, 15R-SiC veya 4H-SiC gibi substratları tercih etti ve böylece kusur yoğunluğunu azalttı. Örneğin 2012 yılında Seki, Kazuaki ve ark. süperdoymayı kontrol ederek 6H-SiC(0001) tohumları üzerinde 3C-SiC ve 6H-SiC'nin seçici büyümesini sağlayan bir kinetik polimorfizm kontrol tekniği önerdi[4-5]. 2023'te Xun Li ve ark. 14 μm/saatlik bir oranla optimize edilmiş CVD büyümesini kullanarak 4H-SiC substratları üzerinde DPB içermeyen pürüzsüz 3C-SiC epitaksiyel katmanları başarıyla elde etti[6].

2. 3C-SiC'nin Kristal Yapısı ve Uygulamaları

Çok sayıda SiC politipi arasında, β-SiC olarak da bilinen 3C-SiC, tek kübik politiptir. Bu kristal yapıda Si ve C atomları bire bir oranda bulunur ve güçlü kovalent bağlara sahip dört yüzlü bir birim hücre oluşturur. Yapı, ABC-ABC-… dizisinde düzenlenmiş Si-C çift katmanlarıyla karakterize edilir; her birim hücre, C3 gösterimiyle gösterilen bu tür üç çift katman içerir. Şekil 1, 3C-SiC'nin kristal yapısını göstermektedir.

                                                                                                                                                                           Şekil 1. 3C-SiC'nin kristal yapısı

Şu anda silikon (Si), güç cihazlarında en yaygın kullanılan yarı iletken malzemedir. Ancak doğası gereği sınırlamaları performansını kısıtlar. 4H-SiC ve 6H-SiC ile karşılaştırıldığında 3C-SiC, oda sıcaklığında (1000 cm2·V-1·s-1) en yüksek teorik elektron hareketliliğine sahiptir, bu da onu MOSFET uygulamaları için daha avantajlı hale getirir. Ek olarak, yüksek arıza voltajı, mükemmel termal iletkenliği, yüksek sertliği, geniş bant aralığı, yüksek sıcaklık direnci ve radyasyon direnci, 3C-SiC'yi elektronik, optoelektronik, sensörler ve zorlu ortamlardaki uygulamalar için son derece umut verici kılmaktadır:

Yüksek Güç, Yüksek Frekans ve Yüksek Sıcaklık Uygulamaları: 3C-SiC'nin yüksek arıza voltajı ve yüksek elektron hareketliliği, onu özellikle zorlu ortamlarda MOSFET'ler gibi güç cihazlarının üretimi için ideal kılar[7].

Nanoelektronik ve Mikroelektromekanik Sistemler (MEMS): Silikon teknolojisiyle uyumluluğu, nano ölçekli yapıların üretilmesine olanak tanıyarak nanoelektronik ve MEMS cihazlarında uygulamalara olanak tanır[8].

Optoelektronik:Geniş bant aralıklı bir yarı iletken malzeme olarak 3C-SiC, mavi ışık yayan diyotlar (LED'ler) için uygundur. Yüksek ışık verimliliği ve katkılama kolaylığı, onu aydınlatma, görüntüleme teknolojileri ve lazerlerdeki uygulamalar için çekici kılmaktadır[9].

Sensörler:3C-SiC, pozisyona duyarlı dedektörlerde, özellikle de yanal fotovoltaik etkiye dayalı lazer noktası pozisyonuna duyarlı dedektörlerde kullanılır. Bu dedektörler sıfır önyargı koşulları altında yüksek hassasiyet sergiler ve bu da onları hassas konumlandırma uygulamaları için uygun kılar[10].

3. 3C-SiC Heteroepitaksi için Hazırlama Yöntemleri

3C-SiC heteroepitaksi için yaygın yöntemler arasında kimyasal buhar biriktirme (CVD), süblimasyon epitaksi (SE), sıvı faz epitaksi (LPE), moleküler ışın epitaksi (MBE) ve magnetron püskürtme yer alır. Sıcaklık, gaz akışı, oda basıncı ve reaksiyon süresi açısından kontrol edilebilirliği ve uyarlanabilirliği nedeniyle CVD, epitaksiyel katman kalitesinin optimizasyonuna olanak sağlaması nedeniyle 3C-SiC epitaksi için tercih edilen yöntemdir.

Kimyasal Buhar Birikimi (CVD):Si ve C içeren gaz halindeki bileşikler bir reaksiyon odasına sokulur ve yüksek sıcaklıklara ısıtılarak bunların ayrışması sağlanır. Si ve C atomları daha sonra tipik olarak Si, 6H-SiC, 15R-SiC veya 4H-SiC gibi bir substrat üzerinde biriktirilir [11]. Bu reaksiyon tipik olarak 1300-1500°C arasında meydana gelir. Yaygın Si kaynakları SiH4, TCS ve MTS'yi içerirken C kaynakları esas olarak C2H4 ve C3H8'dir ve H2 taşıyıcı gazdır. Şekil 2 CVD sürecinin şemasını göstermektedir[12].

                                                                                                                                                               Şekil 2. CVD sürecinin şeması

Süblimasyon Epitaksi (SE):Bu yöntemde, potanın tepesine 6H-SiC veya 4H-SiC substratı yerleştirilir ve altta kaynak malzeme olarak yüksek saflıkta SiC tozu bulunur. Pota, radyo frekansı indüksiyonu yoluyla 1900-2100°C'ye ısıtılır ve eksenel bir sıcaklık gradyanı oluşturmak için substrat sıcaklığı kaynak sıcaklığından daha düşük tutulur. Bu, yüceltilmiş SiC'nin substrat üzerinde yoğunlaşmasına ve kristalleşmesine izin vererek 3C-SiC heteroepitaksiyi oluşturur.

Moleküler Işın Epitaksi (MBE):Bu gelişmiş ince film büyütme tekniği, 4H-SiC veya 6H-SiC substratlar üzerinde 3C-SiC epitaksiyel katmanların büyütülmesi için uygundur. Ultra yüksek vakum altında kaynak gazların hassas kontrolü, bileşen elementlerin yönlü atomik veya moleküler ışınlarının oluşmasını sağlar. Bu ışınlar epitaksiyel büyüme için ısıtılmış alt tabaka yüzeyine doğru yönlendirilir.

4. Sonuç ve Görünüm

Sürekli teknolojik gelişmeler ve derinlemesine mekanik çalışmalarla 3C-SiC heteroepitaksi, enerji tasarruflu elektronik cihazların geliştirilmesine yön vererek yarı iletken endüstrisinde giderek daha hayati bir rol oynamaya hazırlanıyor. Düşük kusur yoğunluklarını korurken büyüme oranlarını artırmak için HCl atmosferlerinin tanıtılması gibi yeni büyüme tekniklerinin araştırılması, gelecekteki araştırmalar için umut verici bir yoldur. Kusur oluşum mekanizmalarının daha fazla araştırılması ve gelişmiş karakterizasyon tekniklerinin geliştirilmesi, hassas kusur kontrolünü ve optimize edilmiş malzeme özelliklerini mümkün kılacaktır. Yüksek kaliteli, kalın 3C-SiC filmlerin hızlı büyümesi, yüksek voltajlı cihazların taleplerini karşılamak için çok önemlidir ve büyüme hızı ile malzeme tekdüzeliği arasındaki dengeyi ele almak için daha fazla araştırma yapılmasını gerektirir. 3C-SiC'nin SiC/GaN gibi heteroyapılardaki uygulamalarından yararlanılarak güç elektroniği, optoelektronik entegrasyon ve kuantum bilgi işleme gibi yeni cihazlardaki potansiyeli tam olarak keşfedilebilir.

Referanslar:

[1] Nishino S, Hazuki Y, Matsunami H,et al. Püskürtülmüş SiC Ara Katmanlı Silikon Substrat Üzerinde Tek Kristalli β-SiC Filmlerin Kimyasal Buhar Birikimi[J].Journal of The Electrochemical Society, 1980, 127(12):2674-2680.

[2] Ye Zhizhen, Wang Yadong, Huang Jingyun ve diğerleri. Silikon bazlı silisyum karbür ince filmlerin düşük sıcaklıkta büyümesi üzerine araştırma [J] Journal of Vacuum Science and Technology, 2002, 022(001):58-60. .

[3] An Xia, Zhuang Huizhao, Li Huaixiang, ve ark. (111) Si substratı üzerine magnetron püskürtme yoluyla nano-SiC ince filmlerin hazırlanması [J] Journal of Shandong Normal University: Natural Science Edition, 2001: 382-384. ..

[4] Seki K, Alexander, Kozawa S, et al. Çözelti büyümesinde aşırı doygunluk kontrolü ile SiC'nin politip seçici büyümesi[J]. Kristal Büyüme Dergisi, 2012, 360:176-180.

[5] Chen Yao, Zhao Fuqiang, Zhu Bingxian, He Shuai. Yurt içi ve yurt dışındaki silisyum karbür güç cihazlarının geliştirilmesine genel bakış [J]. Araç ve Güç Teknolojisi, 2020: 49-54.

[6] Li X, Wang G. Geliştirilmiş morfolojiye sahip 4H-SiC substratları üzerinde 3C-SiC katmanlarının CVD büyümesi[J].Solid State Communications, 2023:371.

[7] Hou Kaiwen. Si desenli substrat ve bunun 3C-SiC büyümesinde uygulanması üzerine araştırma [D] Xi'an Teknoloji Üniversitesi, 2018.

[8]Lars, Hiller, Thomas ve diğerleri. 3C-SiC(100) Mesa Yapılarının ECR-Aşındırılmasında Hidrojen Etkileri[J].Malzeme Bilimi Forumu, 2014.

[9] Xu Qingfang. Lazer kimyasal buhar biriktirme yöntemiyle 3C-SiC ince filmlerin hazırlanması [D]. Wuhan Teknoloji Üniversitesi, 2016.

[10] Foisal ARM , Nguyen T , Dinh TK ,et al.3C-SiC/Si Heteroyapı: Fotovoltaik Etkiye Dayalı Konuma Duyarlı Dedektörler için Mükemmel Bir Platform[J].ACS Uygulamalı Malzemeler ve Arayüzler, 2019: 40980-40987.

[11] Xin Bin. CVD sürecine dayalı 3C/4H-SiC heteroepitaksiyel büyüme: kusur karakterizasyonu ve evrimi [D]. Xi'an Elektronik Bilimi ve Teknolojisi Üniversitesi.

[12] Dong Lin. Geniş alanlı çok tabakalı epitaksiyel büyüme teknolojisi ve silisyum karbürün fiziksel özellik karakterizasyonu [D] Çin Bilimler Akademisi, 2014.

[13] Diani M, Simon L, Kubler L,et al. 6H-SiC(0001) substratı[J] üzerinde 3C-SiC politipinin kristal büyümesi. Kristal Büyüme Dergisi, 2002, 235(1):95-102.