3C SiC کی ترقی کی تاریخ

کی ایک اہم شکل کے طور پرسلکان کاربائیڈکی ترقی کی تاریخ3C-SiCسیمی کنڈکٹر میٹریل سائنس کی مسلسل ترقی کی عکاسی کرتا ہے۔ 1980 کی دہائی میں، نشینو وغیرہ۔ سب سے پہلے 4um 3C-SiC پتلی فلمیں سلکان سبسٹریٹس پر کیمیائی بخارات جمع کرنے (CVD) [1] کے ذریعے حاصل کیں، جس نے 3C-SiC پتلی فلم ٹیکنالوجی کی بنیاد رکھی۔

1990 کی دہائی SiC تحقیق کا سنہری دور تھا۔ کری ریسرچ انکارپوریشن نے 1991 اور 1994 میں بالترتیب 6H-SiC اور 4H-SiC چپس لانچ کیں،SiC سیمی کنڈکٹر ڈیوائسز. اس عرصے کے دوران تکنیکی ترقی نے 3C-SiC کے بعد کی تحقیق اور اطلاق کی بنیاد رکھی۔

21ویں صدی کے اوائل میں،گھریلو سلکان پر مبنی SiC پتلی فلمیںبھی ایک خاص حد تک ترقی یافتہ. Ye Zhizhen et al. 2002 میں کم درجہ حرارت کے حالات میں CVD کے ذریعہ سلکان پر مبنی SiC پتلی فلمیں تیار کیں [2]۔ 2001 میں، An Xia et al. کمرے کے درجہ حرارت پر میگنیٹران پھٹنے سے سلکان پر مبنی SiC پتلی فلمیں تیار کیں [3]۔

تاہم، Si اور SiC (تقریباً 20%) کے جالی مستقل کے درمیان بڑے فرق کی وجہ سے، 3C-SiC ایپیٹیکسیل پرت کی خرابی کی کثافت نسبتاً زیادہ ہے، خاص طور پر جڑواں عیب جیسے DPB۔ جالیوں کی مماثلت کو کم کرنے کے لیے، محققین (0001) سطح پر 6H-SiC، 15R-SiC یا 4H-SiC کو ذیلی جگہ کے طور پر 3C-SiC ایپیٹیکسیل تہہ کو بڑھانے اور عیب کی کثافت کو کم کرنے کے لیے استعمال کرتے ہیں۔ مثال کے طور پر، 2012 میں، Seki، Kazuaki et al. نے ڈائنامک پولیمورفک ایپیٹیکسی کنٹرول ٹکنالوجی کی تجویز پیش کی، جو 6H-SiC (0001) سطح کے بیج پر 3C-SiC اور 6H-SiC کی پولیمورفک سلیکٹیو نمو کا احساس کرتی ہے [4-5] کو کنٹرول کر کے۔ 2023 میں، Xun Li جیسے محققین نے ترقی اور عمل کو بہتر بنانے کے لیے CVD طریقہ استعمال کیا، اور کامیابی کے ساتھ ایک ہموار 3C-SiC حاصل کیا۔epitaxial پرت14um/h کی شرح نمو پر 4H-SiC سبسٹریٹ پر سطح پر DPB کے نقائص کے بغیر[6]۔

3C SiC کا کرسٹل ڈھانچہ اور ایپلیکیشن فیلڈز

بہت سے SiCD پولی ٹائپس میں، 3C-SiC واحد کیوبک پولی ٹائپ ہے، جسے β-SiC بھی کہا جاتا ہے۔ اس کرسٹل ڈھانچے میں، Si اور C ایٹم جالی میں ایک سے ایک کے تناسب میں موجود ہیں، اور ہر ایٹم چار متضاد ایٹموں سے گھرا ہوا ہے، جو مضبوط ہم آہنگی بانڈز کے ساتھ ایک ٹیٹراہیڈرل ساختی اکائی بناتا ہے۔ 3C-SiC کی ساختی خصوصیت یہ ہے کہ Si-C ڈائیٹومک تہوں کو بار بار ABC-ABC- کی ترتیب میں ترتیب دیا جاتا ہے، اور ہر یونٹ سیل میں تین ایسی ڈائیٹومک تہیں ہوتی ہیں، جنہیں C3 نمائندگی کہا جاتا ہے۔ 3C-SiC کا کرسٹل ڈھانچہ ذیل کی شکل میں دکھایا گیا ہے:

شکل 1 3C-SiC کا کرسٹل ڈھانچہ

فی الحال، سلیکون (Si) پاور ڈیوائسز کے لیے سب سے زیادہ استعمال ہونے والا سیمی کنڈکٹر مواد ہے۔ تاہم، Si کی کارکردگی کی وجہ سے، سلیکون پر مبنی پاور ڈیوائسز محدود ہیں۔ 4H-SiC اور 6H-SiC کے مقابلے میں، 3C-SiC میں کمرے کے درجہ حرارت کی نظریاتی الیکٹران کی نقل و حرکت سب سے زیادہ ہے (1000 cm·V-1·S-1)، اور MOS ڈیوائس ایپلی کیشنز میں اس کے زیادہ فوائد ہیں۔ ایک ہی وقت میں، 3C-SiC میں بہترین خصوصیات ہیں جیسے کہ ہائی بریک ڈاؤن وولٹیج، اچھی تھرمل چالکتا، زیادہ سختی، وسیع بینڈ گیپ، اعلی درجہ حرارت کی مزاحمت، اور تابکاری مزاحمت۔ لہذا، اس میں الیکٹرانکس، آپٹو الیکٹرانکس، سینسرز، اور انتہائی حالات میں ایپلی کیشنز میں بہت زیادہ صلاحیت ہے، متعلقہ ٹیکنالوجیز کی ترقی اور اختراع کو فروغ دینے، اور بہت سے شعبوں میں وسیع ایپلی کیشن کی صلاحیت کو ظاہر کرتا ہے:

پہلا: خاص طور پر ہائی وولٹیج، ہائی فریکوئنسی اور اعلی درجہ حرارت کے ماحول میں، 3C-SiC کی ہائی بریک ڈاؤن وولٹیج اور ہائی الیکٹران کی نقل و حرکت اسے MOSFET [7] جیسے پاور ڈیوائسز کی تیاری کے لیے ایک مثالی انتخاب بناتی ہے۔ دوسرا: نینو الیکٹرانکس اور مائیکرو الیکٹرو مکینیکل سسٹمز (MEMS) میں 3C-SiC کا اطلاق سلیکون ٹیکنالوجی کے ساتھ اس کی مطابقت سے فائدہ اٹھاتا ہے، جس سے نینو الیکٹرونکس اور نینو الیکٹرو مکینیکل آلات جیسے نانوسکل ڈھانچے کی تیاری کی اجازت ملتی ہے [8]۔ تیسرا: ایک وسیع بینڈ گیپ سیمی کنڈکٹر مواد کے طور پر، 3C-SiC کی تیاری کے لیے موزوں ہے۔نیلی روشنی خارج کرنے والے ڈایڈس(ایل ای ڈی)۔ روشنی، ڈسپلے ٹکنالوجی اور لیزرز میں اس کا اطلاق اس کی اعلی چمکیلی کارکردگی اور آسان ڈوپنگ کی وجہ سے توجہ مبذول کرایا ہے [9]۔ چوتھا: ایک ہی وقت میں، 3C-SiC کا استعمال پوزیشن سے متعلق حساس ڈٹیکٹر بنانے کے لیے کیا جاتا ہے، خاص طور پر لیزر پوائنٹ پوزیشن حساس ڈٹیکٹر لیٹرل فوٹوولٹک اثر پر مبنی، جو صفر تعصب کے حالات میں اعلیٰ حساسیت کو ظاہر کرتے ہیں اور درست پوزیشننگ کے لیے موزوں ہیں [10] .

3. 3C SiC heteroepitaxy کی تیاری کا طریقہ

3C-SiC heteroepitaxy کی ترقی کے اہم طریقوں میں شامل ہیں۔کیمیائی بخارات جمع (CVD), sublimation epitaxy (SE), مائع فیز ایپیٹیکسی (LPE), مالیکیولر بیم ایپیٹیکسی (MBE)، میگنیٹرون سپٹرنگ وغیرہ۔ CVD 3C-SiC ایپیٹیکسی کے لیے ترجیحی طریقہ ہے جس کی وجہ اس کی کنٹرولیبلٹی اور موافقت ہے (جیسے درجہ حرارت، گیس کا بہاؤ، چیمبر پریشر اور رد عمل کا وقت، جو کہ معیار کو بہتر بنا سکتا ہے۔ ایپیٹیکسیل پرت)۔

کیمیائی بخارات جمع (CVD): ایک کمپاؤنڈ گیس جس میں Si اور C عناصر شامل ہیں، رد عمل کے چیمبر میں منتقل ہوتے ہیں، اعلی درجہ حرارت پر گرم اور گل جاتے ہیں، اور پھر Si ایٹم اور C ایٹم Si سبسٹریٹ، یا 6H-SiC، 15R- پر تیز ہو جاتے ہیں۔ SiC، 4H-SiC سبسٹریٹ [11]۔ اس ردعمل کا درجہ حرارت عام طور پر 1300-1500℃ کے درمیان ہوتا ہے۔ عام سی ذرائع میں SiH4، TCS، MTS، وغیرہ شامل ہیں، اور C ذرائع میں بنیادی طور پر C2H4، C3H8، وغیرہ شامل ہیں، H2 بطور کیریئر گیس۔ ترقی کے عمل میں بنیادی طور پر درج ذیل مراحل شامل ہیں: 1. گیس فیز ری ایکشن سورس کو مرکزی گیس کے بہاؤ میں جمع کرنے والے زون میں منتقل کیا جاتا ہے۔ 2. گیس کے مرحلے کا رد عمل باؤنڈری پرت میں ہوتا ہے تاکہ پتلی فلم کے پیش خیمہ اور ضمنی مصنوعات تیار کی جا سکیں۔ 3. پیشگی کی ترسیب، جذب اور کریکنگ کا عمل۔ 4. جذب شدہ ایٹم سبسٹریٹ کی سطح پر ہجرت کرتے ہیں اور دوبارہ تشکیل پاتے ہیں۔ 5. جذب شدہ ایٹم نیوکلیٹ ہوتے ہیں اور سبسٹریٹ کی سطح پر بڑھتے ہیں۔ 6. رد عمل کے بعد فضلہ گیس کی بڑے پیمانے پر نقل و حمل مرکزی گیس کے بہاؤ کے علاقے میں اور رد عمل کے چیمبر سے باہر لے جایا جاتا ہے۔ شکل 2 CVD کا اسکیمیٹک خاکہ ہے [12]۔

تصویر 2 CVD کا اسکیمیٹک خاکہ

Sublimation epitaxy (SE) طریقہ: شکل 3 3C-SiC کی تیاری کے لیے SE طریقہ کار کا ایک تجرباتی ڈھانچہ ہے۔ اہم مراحل اعلی درجہ حرارت والے زون میں SIC ماخذ کی سڑن اور سربلندی، ذیلی اشیاء کی نقل و حمل، اور کم درجہ حرارت پر سبسٹریٹ کی سطح پر sublimates کا رد عمل اور کرسٹلائزیشن ہیں۔ تفصیلات درج ذیل ہیں: 6H-SiC یا 4H-SiC سبسٹریٹ کو کروسیبل کے اوپر رکھا گیا ہے، اوراعلی طہارت کا SiC پاؤڈرSiC خام مال کے طور پر استعمال کیا جاتا ہے اور نچلے حصے میں رکھا جاتا ہے۔گریفائٹ کروسیبل. کروسیبل کو ریڈیو فریکوئنسی انڈکشن کے ذریعے 1900-2100℃ تک گرم کیا جاتا ہے، اور سبسٹریٹ کا درجہ حرارت SiC سورس سے کم ہونے پر کنٹرول کیا جاتا ہے، جو کروسیبل کے اندر ایک محوری درجہ حرارت کا میلان بناتا ہے، تاکہ sublimated SiC مواد سبسٹریٹ پر گاڑھا ہو اور کرسٹل ہو سکے۔ 3C-SiC heteroepitaxial بنانے کے لیے۔

sublimation epitaxy کے فوائد بنیادی طور پر دو پہلوؤں میں ہیں: 1. epitaxy درجہ حرارت زیادہ ہے، جو کرسٹل کے نقائص کو کم کر سکتا ہے۔ 2. ایٹم کی سطح پر کھدی ہوئی سطح کو حاصل کرنے کے لیے اسے کیا جا سکتا ہے۔ تاہم، نمو کے عمل کے دوران، رد عمل کے منبع کو ایڈجسٹ نہیں کیا جا سکتا، اور سلکان-کاربن کا تناسب، وقت، مختلف رد عمل کے سلسلے وغیرہ کو تبدیل نہیں کیا جا سکتا، جس کے نتیجے میں نمو کے عمل کی کنٹرولیبلٹی میں کمی واقع ہوتی ہے۔

شکل 3 3C-SiC epitaxy کو بڑھانے کے لئے SE طریقہ کا اسکیمیٹک خاکہ

مالیکیولر بیم ایپیٹیکسی (MBE) ایک اعلی درجے کی پتلی فلم گروتھ ٹیکنالوجی ہے، جو 4H-SiC یا 6H-SiC سبسٹریٹس پر 3C-SiC ایپیٹیکسیل تہوں کو اگانے کے لیے موزوں ہے۔ اس طریقہ کار کا بنیادی اصول یہ ہے کہ: انتہائی ہائی ویکیوم ماحول میں، ماخذ گیس کے عین مطابق کنٹرول کے ذریعے، بڑھتی ہوئی epitaxial تہہ کے عناصر کو ایک دشاتمک ایٹم بیم یا مالیکیولر بیم بنانے کے لیے گرم کیا جاتا ہے اور گرم سبسٹریٹ کی سطح پر واقعہ ہوتا ہے۔ epitaxial ترقی. 3C-SiC بڑھنے کے لئے عام حالاتepitaxial تہوں4H-SiC یا 6H-SiC پر ذیلی ذیلی جگہیں ہیں: سلکان سے بھرپور حالات میں، گرافین اور خالص کاربن کے ذرائع الیکٹران گن کے ساتھ گیسی مادوں میں پرجوش ہوتے ہیں، اور رد عمل کے درجہ حرارت کے طور پر 1200-1350℃ استعمال کیا جاتا ہے۔ 3C-SiC heteroepitaxial ترقی 0.01-0.1 nms-1 [13] کی شرح نمو پر حاصل کی جا سکتی ہے۔

نتیجہ اور امکان

مسلسل تکنیکی ترقی اور گہرائی سے میکانزم کی تحقیق کے ذریعے، 3C-SiC heteroepitaxial ٹیکنالوجی سے توقع کی جاتی ہے کہ وہ سیمی کنڈکٹر انڈسٹری میں زیادہ اہم کردار ادا کرے گی اور اعلیٰ کارکردگی والے الیکٹرانک آلات کی ترقی کو فروغ دے گی۔ مثال کے طور پر، ترقی کی نئی تکنیکوں اور حکمت عملیوں کو تلاش کرنا جاری رکھنا، جیسے کہ کم خرابی کی کثافت کو برقرار رکھتے ہوئے شرح نمو کو بڑھانے کے لیے HCl ماحول متعارف کرانا، مستقبل کی تحقیق کی سمت ہے۔ نقائص کی تشکیل کے طریقہ کار پر گہرائی سے تحقیق، اور زیادہ درست نقائص پر قابو پانے اور مادی خصوصیات کو بہتر بنانے کے لیے خصوصیت کی مزید جدید تکنیکوں کی ترقی، جیسے فوٹو لومینیسینس اور کیتھوڈولومینیسینس تجزیہ؛ اعلیٰ معیار کی موٹی فلم 3C-SiC کی تیز رفتار ترقی ہائی وولٹیج آلات کی ضروریات کو پورا کرنے کی کلید ہے، اور شرح نمو اور مادی یکسانیت کے درمیان توازن پر قابو پانے کے لیے مزید تحقیق کی ضرورت ہے۔ متضاد ڈھانچے جیسے SiC/GaN میں 3C-SiC کے اطلاق کے ساتھ مل کر، پاور الیکٹرانکس، آپٹو الیکٹرانک انٹیگریشن اور کوانٹم انفارمیشن پروسیسنگ جیسے نئے آلات میں اس کے ممکنہ ایپلی کیشنز کو تلاش کریں۔

حوالہ جات:

نیشینو ایس، ہازوکی وائی، متسونامی ایچ، وغیرہ۔ سلیکون سبسٹریٹ پر اکیلا کرسٹل لائن β-SiC فلموں کا کیمیائی بخارات کا جمع Sputtered SiC انٹرمیڈیٹ لیئر[J]۔ جرنل آف دی الیکٹرو کیمیکل سوسائٹی، 1980، 127(12):2674-2680۔

[2] Ye Zhizhen, Wang Yadong, Huang Jingyun, et al. سلکان پر مبنی سلکان کاربائیڈ پتلی فلموں کے کم درجہ حرارت میں اضافہ پر تحقیق، 2002، 022(001):58-60۔ .

[3] ایک Xia, Zhuang Huizhao, Li Huaixiang, et al magnetron sputtering کے ذریعے نینو-SiC پتلی فلموں کی تیاری ..

[4] سیکی کے، الیگزینڈر، کوزاوا ایس، وغیرہ۔ حل کی ترقی میں سپر سیچوریشن کنٹرول کے ذریعے SiC کی پولی ٹائپ سلیکٹیو نمو[J]۔ جرنل آف کرسٹل گروتھ، 2012، 360:176-180۔

[5] چن یاو، ژاؤ فوکیانگ، ژو بِنگشیان، ہی شوئی اندرون اور بیرون ملک سلیکون کاربائیڈ پاور ڈیوائسز کی ترقی کا جائزہ، 2020: 49-54۔

[6] Li X , Wang G .CVD 4H-SiC سبسٹریٹس پر 3C-SiC تہوں کی نمو بہتر مورفولوجی [J]۔ سالڈ اسٹیٹ کمیونیکیشنز، 2023:371۔

3C-SiC نمو [D] میں سی پیٹرن والے سبسٹریٹ پر Hou Kaiwen کی تحقیق، 2018۔

[8] لارس، ہلر، تھامس، وغیرہ۔ 3C-SiC(100) میسا سٹرکچرز کے ECR-Etching میں ہائیڈروجن اثرات[J]۔مٹیریلز سائنس فورم، 2014۔

[9] Xu Qingfang لیزر کیمیائی بخارات کے ذریعے 3C-SiC پتلی فلموں کی تیاری [D] ووہان یونیورسٹی آف ٹیکنالوجی، 2016۔

[10] Foisal A R M , Nguyen T , Dinh T K , et al.3C-SiC/Si Heterostructure: فوٹو وولٹک اثر[J] پر مبنی پوزیشن کے حساس ڈٹیکٹرز کے لیے ایک بہترین پلیٹ فارم

[11] Xin Bin 3C/4H-SiC heteroepitaxial ترقی کی بنیاد پر CVD: خرابی کی خصوصیات اور ارتقاء [D]۔

[12] ڈونگ لن بڑے علاقے میں ملٹی ویفر ایپیٹیکسیل گروتھ ٹیکنالوجی اور سلیکن کاربائیڈ کی فزیکل پراپرٹی کی خصوصیات، 2014۔

[13] ڈیانی ایم، سائمن ایل، کوبلر ایل، وغیرہ۔ 6H-SiC(0001) سبسٹریٹ [J] پر 3C-SiC پولی ٹائپ کی کرسٹل نمو۔ جرنل آف کرسٹل گروتھ، 2002، 235(1):95-102۔