3C-SiC की हेटेरोएपिटैक्सी: एक सिंहावलोकन

1. 3C-SiC का ऐतिहासिक विकास

सिलिकॉन कार्बाइड का एक महत्वपूर्ण पॉलीटाइप 3C-SiC का विकास, सेमीकंडक्टर सामग्री विज्ञान की निरंतर प्रगति को दर्शाता है। 1980 के दशक में, निशिनो एट अल। पहली बार रासायनिक वाष्प जमाव (सीवीडी) [1] का उपयोग करके सिलिकॉन सब्सट्रेट पर 4 माइक्रोमीटर मोटी 3C-SiC फिल्म हासिल की, जिसने 3C-SiC पतली-फिल्म तकनीक की नींव रखी।

1990 का दशक SiC अनुसंधान के लिए एक स्वर्ण युग था। क्री रिसर्च इंक द्वारा क्रमशः 1991 और 1994 में 6H-SiC और 4H-SiC चिप्स के लॉन्च ने SiC सेमीकंडक्टर उपकरणों के व्यावसायीकरण को प्रेरित किया। इस तकनीकी प्रगति ने 3C-SiC के बाद के अनुसंधान और अनुप्रयोगों के लिए आधार तैयार किया।

21वीं सदी की शुरुआत में, सिलिकॉन-आधारित SiC फिल्मों ने भी चीन में महत्वपूर्ण प्रगति देखी। ये झिझेन एट अल। 2002 में कम तापमान पर सीवीडी का उपयोग करके सिलिकॉन सब्सट्रेट्स पर सीआईसी फिल्में बनाई गईं [2], जबकि एन ज़िया एट अल। 2001 में कमरे के तापमान पर मैग्नेट्रोन स्पटरिंग का उपयोग करके समान परिणाम प्राप्त किए गए[3]।

हालाँकि, Si और SiC (लगभग 20%) के बीच बड़े जाली बेमेल के कारण 3C-SiC एपिटैक्सियल परत में उच्च दोष घनत्व, विशेष रूप से डबल पोजिशनिंग सीमाएं (DPBs) हो गईं। इसे कम करने के लिए, शोधकर्ताओं ने 3C-SiC एपिटैक्सियल परतों को बढ़ाने के लिए (0001) अभिविन्यास के साथ 6H-SiC, 15R-SiC, या 4H-SiC जैसे सब्सट्रेट्स को चुना, जिससे दोष घनत्व कम हो गया। उदाहरण के लिए, 2012 में, सेकी, काज़ुकी एट अल। सुपरसैचुरेशन को नियंत्रित करके 6H-SiC(0001) बीजों पर 3C-SiC और 6H-SiC की चयनात्मक वृद्धि प्राप्त करते हुए, एक गतिज बहुरूपता नियंत्रण तकनीक का प्रस्ताव रखा। 2023 में, ज़ून ली एट अल। 14 μm/h [6] की दर के साथ अनुकूलित CVD वृद्धि का उपयोग करके 4H-SiC सब्सट्रेट्स पर DPBs से मुक्त चिकनी 3C-SiC एपिटैक्सियल परतें सफलतापूर्वक प्राप्त की गईं।

2. क्रिस्टल संरचना और 3C-SiC के अनुप्रयोग

असंख्य SiC बहुप्रकारों में से, 3C-SiC, जिसे β-SiC भी कहा जाता है, एकमात्र घन बहुप्रकार है। इस क्रिस्टल संरचना में, Si और C परमाणु एक-से-एक अनुपात में मौजूद होते हैं, जो मजबूत सहसंयोजक बंधनों के साथ एक टेट्राहेड्रल यूनिट सेल बनाते हैं। संरचना की विशेषता एबीसी-एबीसी-… अनुक्रम में व्यवस्थित सी-सी बाइलेयर है, जिसमें प्रत्येक इकाई कोशिका में तीन ऐसे बाइलेयर्स होते हैं, जिन्हें सी3 नोटेशन द्वारा दर्शाया जाता है। चित्र 1 3C-SiC की क्रिस्टल संरचना को दर्शाता है।

                                                                                                                                                                           चित्र 1. 3C-SiC की क्रिस्टल संरचना

वर्तमान में, सिलिकॉन (Si) बिजली उपकरणों के लिए सबसे व्यापक रूप से उपयोग किया जाने वाला अर्धचालक पदार्थ है। हालाँकि, इसकी अंतर्निहित सीमाएँ इसके प्रदर्शन को प्रतिबंधित करती हैं। 4H-SiC और 6H-SiC की तुलना में, 3C-SiC में कमरे के तापमान (1000 सेमी2·V-1·s-1) पर उच्चतम सैद्धांतिक इलेक्ट्रॉन गतिशीलता होती है, जो इसे MOSFET अनुप्रयोगों के लिए अधिक लाभप्रद बनाती है। इसके अतिरिक्त, इसकी उच्च ब्रेकडाउन वोल्टेज, उत्कृष्ट तापीय चालकता, उच्च कठोरता, विस्तृत बैंडगैप, उच्च तापमान प्रतिरोध और विकिरण प्रतिरोध 3C-SiC को इलेक्ट्रॉनिक्स, ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक्स, सेंसर और चरम वातावरण में अनुप्रयोगों के लिए अत्यधिक आशाजनक बनाते हैं:

उच्च-शक्ति, उच्च-आवृत्ति और उच्च-तापमान अनुप्रयोग: 3C-SiC का उच्च ब्रेकडाउन वोल्टेज और उच्च इलेक्ट्रॉन गतिशीलता इसे विशेष रूप से मांग वाले वातावरण में MOSFETs जैसे बिजली उपकरणों के निर्माण के लिए आदर्श बनाती है।

नैनोइलेक्ट्रॉनिक्स और माइक्रोइलेक्ट्रोमैकेनिकल सिस्टम (एमईएमएस): सिलिकॉन प्रौद्योगिकी के साथ इसकी अनुकूलता नैनोस्केल संरचनाओं के निर्माण की अनुमति देती है, जो नैनोइलेक्ट्रॉनिक्स और एमईएमएस उपकरणों में अनुप्रयोगों को सक्षम बनाती है।

ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक्स:वाइड-बैंडगैप सेमीकंडक्टर सामग्री के रूप में, 3C-SiC नीली रोशनी उत्सर्जक डायोड (एलईडी) के लिए उपयुक्त है। इसकी उच्च चमकदार दक्षता और डोपिंग में आसानी इसे प्रकाश, प्रदर्शन प्रौद्योगिकियों और लेजर में अनुप्रयोगों के लिए आकर्षक बनाती है [9]।

सेंसर:3C-SiC का उपयोग स्थिति-संवेदनशील डिटेक्टरों, विशेष रूप से पार्श्व फोटोवोल्टिक प्रभाव पर आधारित लेजर स्पॉट स्थिति-संवेदनशील डिटेक्टरों में किया जाता है। ये डिटेक्टर शून्य पूर्वाग्रह स्थितियों के तहत उच्च संवेदनशीलता प्रदर्शित करते हैं, जो उन्हें सटीक स्थिति अनुप्रयोगों के लिए उपयुक्त बनाते हैं [10]।

3. 3C-SiC हेटेरोएपिटैक्सी के लिए तैयारी के तरीके

3C-SiC हेटरोएपिटैक्सी के सामान्य तरीकों में रासायनिक वाष्प जमाव (सीवीडी), उर्ध्वपातन एपिटैक्सी (एसई), तरल चरण एपिटैक्सी (एलपीई), आणविक बीम एपिटैक्सी (एमबीई), और मैग्नेट्रोन स्पटरिंग शामिल हैं। तापमान, गैस प्रवाह, चैम्बर दबाव और प्रतिक्रिया समय के संदर्भ में इसकी नियंत्रणीयता और अनुकूलन क्षमता के कारण सीवीडी 3सी-एसआईसी एपिटैक्सी के लिए पसंदीदा तरीका है, जो एपिटैक्सियल परत की गुणवत्ता के अनुकूलन को सक्षम बनाता है।

रासायनिक वाष्प जमाव (सीवीडी):सी और सी युक्त गैसीय यौगिकों को एक प्रतिक्रिया कक्ष में पेश किया जाता है और उच्च तापमान तक गर्म किया जाता है, जिससे उनका विघटन होता है। फिर Si और C परमाणु एक सब्सट्रेट पर जमा होते हैं, आमतौर पर Si, 6H-SiC, 15R-SiC, या 4H-SiC [11]। यह प्रतिक्रिया आमतौर पर 1300-1500°C के बीच होती है। सामान्य Si स्रोतों में SiH4, TCS और MTS शामिल हैं, जबकि C स्रोत मुख्य रूप से C2H4 और C3H8 हैं, जिनमें H2 वाहक गैस है। चित्र 2 सीवीडी प्रक्रिया का एक योजनाबद्ध चित्रण दर्शाता है[12]।

                                                                                                                                                               चित्र 2. सीवीडी प्रक्रिया का योजनाबद्ध आरेख

उर्ध्वपातन एपिटैक्सी (एसई):इस विधि में, एक 6H-SiC या 4H-SiC सब्सट्रेट को क्रूसिबल के शीर्ष पर रखा जाता है, जिसके तल पर स्रोत सामग्री के रूप में उच्च शुद्धता वाला SiC पाउडर होता है। क्रूसिबल को रेडियो फ्रीक्वेंसी इंडक्शन के माध्यम से 1900-2100 डिग्री सेल्सियस तक गर्म किया जाता है, जिससे अक्षीय तापमान ढाल बनाने के लिए सब्सट्रेट तापमान को स्रोत तापमान से कम बनाए रखा जाता है। यह सब्लिमेटेड SiC को सब्सट्रेट पर संघनित और क्रिस्टलीकृत करने की अनुमति देता है, जिससे 3C-SiC हेटरोएपिटैक्सी बनता है।

आण्विक बीम एपिटैक्सी (एमबीई):यह उन्नत पतली-फिल्म विकास तकनीक 4H-SiC या 6H-SiC सबस्ट्रेट्स पर 3C-SiC एपिटैक्सियल परतों को विकसित करने के लिए उपयुक्त है। अल्ट्रा-हाई वैक्यूम के तहत, स्रोत गैसों का सटीक नियंत्रण घटक तत्वों के दिशात्मक परमाणु या आणविक बीम के निर्माण को सक्षम बनाता है। इन किरणों को एपिटैक्सियल विकास के लिए गर्म सब्सट्रेट सतह की ओर निर्देशित किया जाता है।

4. निष्कर्ष और आउटलुक

निरंतर तकनीकी प्रगति और गहन यंत्रवत अध्ययन के साथ, 3C-SiC हेटरोएपिटैक्सी अर्धचालक उद्योग में तेजी से महत्वपूर्ण भूमिका निभाने के लिए तैयार है, जो ऊर्जा-कुशल इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों के विकास को आगे बढ़ा रहा है। नई विकास तकनीकों की खोज करना, जैसे कि कम दोष घनत्व को बनाए रखते हुए विकास दर को बढ़ाने के लिए एचसीएल वायुमंडल को पेश करना, भविष्य के अनुसंधान के लिए एक आशाजनक अवसर है। दोष निर्माण तंत्र की आगे की जांच और उन्नत लक्षण वर्णन तकनीकों के विकास से सटीक दोष नियंत्रण और अनुकूलित सामग्री गुणों को सक्षम किया जा सकेगा। उच्च-वोल्टेज उपकरणों की मांगों को पूरा करने के लिए उच्च-गुणवत्ता, मोटी 3C-SiC फिल्मों का तेजी से विकास महत्वपूर्ण है, जिससे विकास दर और सामग्री एकरूपता के बीच संतुलन को संबोधित करने के लिए और अधिक शोध की आवश्यकता होती है। SiC/GaN जैसे हेटरोस्ट्रक्चर में 3C-SiC के अनुप्रयोगों का लाभ उठाकर, पावर इलेक्ट्रॉनिक्स, ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक एकीकरण और क्वांटम सूचना प्रसंस्करण जैसे नए उपकरणों में इसकी क्षमता का पूरी तरह से पता लगाया जा सकता है।

सन्दर्भ:

[1] निशिनो एस, हज़ुकी वाई, मत्सुनामी एच, एट अल। स्पटर्ड SiC मध्यवर्ती परत के साथ सिलिकॉन सब्सट्रेट पर एकल क्रिस्टलीय β‐SiC फिल्म्स का रासायनिक वाष्प जमाव [J]। जर्नल ऑफ़ द इलेक्ट्रोकेमिकल सोसाइटी, 1980, 127(12):2674-2680।

[2] ये झिझेन, वांग यादोंग, हुआंग जिंगयुन, और अन्य। सिलिकॉन-आधारित सिलिकॉन कार्बाइड पतली फिल्मों की कम तापमान वृद्धि पर शोध [जे], जर्नल ऑफ वैक्यूम साइंस एंड टेक्नोलॉजी, 2002, 022(001):58-60। .

[3] एन ज़िया, ज़ुआंग हुइझाओ, ली हुआइज़ियांग, एट अल। (111) सी सब्सट्रेट पर मैग्नेट्रोन स्पटरिंग द्वारा नैनो-एसआईसी पतली फिल्मों की तैयारी। शेडोंग नॉर्मल यूनिवर्सिटी का जर्नल: प्राकृतिक विज्ञान संस्करण, 2001: 382-384 ..

[4] सेकी के, अलेक्जेंडर, कोज़ावा एस, एट अल। समाधान वृद्धि में सुपरसैचुरेशन नियंत्रण द्वारा SiC की पॉलीटाइप-चयनात्मक वृद्धि [जे]। जर्नल ऑफ़ क्रिस्टल ग्रोथ, 2012, 360:176-180।

[5] चेन याओ, झाओ फुकियांग, झू बिंगज़ियान, हे शुआई देश और विदेश में सिलिकॉन कार्बाइड बिजली उपकरणों के विकास का अवलोकन [जे]।

[6] ली एक्स, वांग जी। बेहतर आकारिकी के साथ 4एच-सीआईसी सब्सट्रेट्स पर 3 सी-सीआईसी परतों की सीवीडी वृद्धि [जे]। सॉलिड स्टेट कम्युनिकेशंस, 2023:371।

[7] होउ कैवेन। सी पैटर्न वाले सब्सट्रेट और 3सी-सीआईसी विकास में इसके अनुप्रयोग पर शोध [डी]।

[8]लार्स, हिलर, थॉमस, एट अल। 3सी-एसआईसी(100) मेसा संरचनाओं के ईसीआर-नक़्क़ाशी में हाइड्रोजन प्रभाव [जे]। सामग्री विज्ञान फोरम, 2014।

[9] जू क्विंगफैंग। लेजर रासायनिक वाष्प जमाव द्वारा 3सी-एसआईसी पतली फिल्मों की तैयारी [डी]।

[10] फ़ॉइसल ए आर एम, गुयेन टी, दीन्ह टी के, एट अल.3 सी-सी सी/सी हेटरोस्ट्रक्चर: फोटोवोल्टिक प्रभाव पर आधारित स्थिति-संवेदनशील डिटेक्टरों के लिए एक उत्कृष्ट मंच [जे]। एसीएस एप्लाइड मैटेरियल्स एंड इंटरफेस, 2019: 40980-40987।

[11] ज़िन बिन। सीवीडी प्रक्रिया पर आधारित 3सी/4एच-एसआईसी हेटेरोएपिटैक्सियल विकास: दोष लक्षण वर्णन और विकास [डी]।

[12] डोंग लिन। बड़े क्षेत्र की मल्टी-वेफर एपिटैक्सियल ग्रोथ टेक्नोलॉजी और सिलिकॉन कार्बाइड की भौतिक संपत्ति लक्षण वर्णन, चीनी विज्ञान अकादमी विश्वविद्यालय, 2014।

[13] डायनी एम, साइमन एल, कुबलर एल, एट अल। 6H-SiC(0001) सब्सट्रेट [J] पर 3C-SiC पॉलीटाइप की क्रिस्टल वृद्धि। जर्नल ऑफ़ क्रिस्टल ग्रोथ, 2002, 235(1):95-102।