3C-SiC এর হেটেরোপিটাক্সি: একটি ওভারভিউ

1. 3C-SiC এর ঐতিহাসিক বিকাশ

3C-SiC এর বিকাশ, সিলিকন কার্বাইডের একটি উল্লেখযোগ্য পলিটাইপ, অর্ধপরিবাহী পদার্থ বিজ্ঞানের ক্রমাগত অগ্রগতি প্রতিফলিত করে। 1980 এর দশকে, নিশিনো এট আল। রাসায়নিক বাষ্প জমা (CVD)[1] ব্যবহার করে একটি সিলিকন সাবস্ট্রেটে প্রথমে একটি 4 μm পুরু 3C-SiC ফিল্ম অর্জন করেছে, 3C-SiC পাতলা-ফিল্ম প্রযুক্তির ভিত্তি স্থাপন করেছে।

1990 এর দশক SiC গবেষণার জন্য একটি স্বর্ণযুগ হিসাবে চিহ্নিত। 1991 এবং 1994 সালে ক্রি রিসার্চ ইনকর্পোরেটেডের যথাক্রমে 6H-SiC এবং 4H-SiC চিপগুলির লঞ্চ, SiC সেমিকন্ডাক্টর ডিভাইসগুলির বাণিজ্যিকীকরণকে চালিত করেছিল। এই প্রযুক্তিগত অগ্রগতি পরবর্তী গবেষণা এবং 3C-SiC এর প্রয়োগের ভিত্তি তৈরি করেছে।

21 শতকের গোড়ার দিকে, সিলিকন-ভিত্তিক SiC চলচ্চিত্রগুলিও চীনে উল্লেখযোগ্য অগ্রগতি দেখেছিল। ইয়ে ঝিজেন এট আল। 2002 সালে কম তাপমাত্রায় সিভিডি ব্যবহার করে সিলিকন সাবস্ট্রেটের উপর তৈরি করা SiC ফিল্মগুলি[2], যখন An Xia et al. 2001 সালে ঘরের তাপমাত্রায় ম্যাগনেট্রন স্পুটারিং ব্যবহার করে অনুরূপ ফলাফল অর্জন করেছে[3]।

যাইহোক, Si এবং SiC (প্রায় 20%) এর মধ্যে বড় জালির অমিলের ফলে 3C-SiC এপিটাক্সিয়াল স্তর, বিশেষ করে ডাবল পজিশনিং বাউন্ডারি (DPBs) উচ্চ ত্রুটির ঘনত্বের দিকে পরিচালিত করে। এটি প্রশমিত করার জন্য, গবেষকরা 3C-SiC এপিটাক্সিয়াল স্তর বৃদ্ধির জন্য (0001) অভিযোজন সহ 6H-SiC, 15R-SiC, বা 4H-SiC এর মতো সাবস্ট্রেটগুলি বেছে নিয়েছিলেন, যার ফলে ত্রুটির ঘনত্ব হ্রাস পায়। উদাহরণস্বরূপ, 2012 সালে, Seki, Kazuaki et al. সুপারস্যাচুরেশন নিয়ন্ত্রণ করে 6H-SiC(0001) বীজে 3C-SiC এবং 6H-SiC-এর নির্বাচনী বৃদ্ধি অর্জন করে একটি গতিশীল পলিমারফিজম নিয়ন্ত্রণ কৌশল প্রস্তাব করেছেন[4-5]। 2023 সালে, Xun Li et al. 14 μm/h হারের সাথে অপ্টিমাইজড CVD বৃদ্ধি ব্যবহার করে 4H-SiC সাবস্ট্রেটে DPB মুক্ত মসৃণ 3C-SiC এপিটাক্সিয়াল স্তরগুলি সফলভাবে প্রাপ্ত হয়েছে[6]।

2. 3C-SiC এর ক্রিস্টাল স্ট্রাকচার এবং অ্যাপ্লিকেশন

অসংখ্য SiC পলিটাইপের মধ্যে, 3C-SiC, যা β-SiC নামেও পরিচিত, একমাত্র কিউবিক পলিটাইপ। এই স্ফটিক কাঠামোতে, Si এবং C পরমাণুগুলি এক থেকে এক অনুপাতে বিদ্যমান, শক্তিশালী সমযোজী বন্ধন সহ একটি টেট্রাহেড্রাল ইউনিট কোষ গঠন করে। গঠনটি একটি ABC-ABC-... ক্রমানুসারে সাজানো Si-C বাইলেয়ার দ্বারা চিহ্নিত করা হয়েছে, প্রতিটি ইউনিট কোষে তিনটি এরকম bilayers রয়েছে, C3 স্বরলিপি দ্বারা চিহ্নিত করা হয়েছে। চিত্র 1 3C-SiC এর স্ফটিক গঠন চিত্রিত করে।

                                                                                                                                                                           চিত্র 1. 3C-SiC এর স্ফটিক গঠন

বর্তমানে, সিলিকন (Si) পাওয়ার ডিভাইসের জন্য সর্বাধিক ব্যবহৃত সেমিকন্ডাক্টর উপাদান। যাইহোক, এর অন্তর্নিহিত সীমাবদ্ধতাগুলি এর কার্যকারিতা সীমাবদ্ধ করে। 4H-SiC এবং 6H-SiC এর তুলনায়, 3C-SiC কক্ষ তাপমাত্রায় (1000 cm2·V-1·s-1) সর্বোচ্চ তাত্ত্বিক ইলেক্ট্রন গতিশীলতা ধারণ করে, এটি MOSFET অ্যাপ্লিকেশনের জন্য আরও সুবিধাজনক করে তোলে। উপরন্তু, এর উচ্চ ব্রেকডাউন ভোল্টেজ, চমৎকার তাপ পরিবাহিতা, উচ্চ কঠোরতা, প্রশস্ত ব্যান্ডগ্যাপ, উচ্চ-তাপমাত্রা প্রতিরোধ, এবং বিকিরণ প্রতিরোধ 3C-SiC ইলেকট্রনিক্স, অপটোইলেক্ট্রনিক্স, সেন্সর এবং চরম পরিবেশে অ্যাপ্লিকেশনের জন্য অত্যন্ত প্রতিশ্রুতিশীল করে তোলে:

উচ্চ-শক্তি, উচ্চ-ফ্রিকোয়েন্সি, এবং উচ্চ-তাপমাত্রার অ্যাপ্লিকেশন: 3C-SiC-এর উচ্চ ব্রেকডাউন ভোল্টেজ এবং উচ্চ ইলেক্ট্রন গতিশীলতা এটিকে MOSFET-এর মতো পাওয়ার ডিভাইস তৈরির জন্য আদর্শ করে তোলে, বিশেষ করে চাহিদাপূর্ণ পরিবেশে[7]।

ন্যানোইলেক্ট্রনিক্স এবং মাইক্রোইলেক্ট্রোমেকানিক্যাল সিস্টেম (MEMS): সিলিকন প্রযুক্তির সাথে এর সামঞ্জস্যতা ন্যানোস্কেল কাঠামো তৈরির অনুমতি দেয়, ন্যানোইলেক্ট্রনিক্স এবং MEMS ডিভাইসগুলিতে অ্যাপ্লিকেশন সক্ষম করে[8]।

অপটোইলেক্ট্রনিক্স:একটি প্রশস্ত-ব্যান্ডগ্যাপ সেমিকন্ডাক্টর উপাদান হিসাবে, 3C-SiC নীল আলো-নির্গত ডায়োডের (LEDs) জন্য উপযুক্ত। এর উচ্চ আলোকিত দক্ষতা এবং ডোপিংয়ের সহজতা এটিকে আলোকসজ্জা, প্রদর্শন প্রযুক্তি এবং লেজারগুলিতে অ্যাপ্লিকেশনের জন্য আকর্ষণীয় করে তোলে[9]।

সেন্সর:3C-SiC অবস্থান-সংবেদনশীল ডিটেক্টরগুলিতে নিযুক্ত করা হয়, বিশেষ করে পার্শ্বীয় ফটোভোলটাইক প্রভাবের উপর ভিত্তি করে লেজার স্পট অবস্থান-সংবেদনশীল ডিটেক্টর। এই ডিটেক্টরগুলি শূন্য পক্ষপাতের অবস্থার অধীনে উচ্চ সংবেদনশীলতা প্রদর্শন করে, যা তাদের নির্ভুল অবস্থানের অ্যাপ্লিকেশনের জন্য উপযুক্ত করে তোলে[10]।

3. 3C-SiC Heteroepitaxy-এর প্রস্তুতির পদ্ধতি

3C-SiC heteroepitaxy-এর সাধারণ পদ্ধতির মধ্যে রয়েছে রাসায়নিক বাষ্প জমা (CVD), পরমানন্দ এপিটাক্সি (SE), লিকুইড ফেজ এপিটাক্সি (LPE), আণবিক বিম এপিটাক্সি (MBE), এবং ম্যাগনেট্রন স্পুটারিং। তাপমাত্রা, গ্যাস প্রবাহ, চেম্বারের চাপ এবং প্রতিক্রিয়া সময়ের পরিপ্রেক্ষিতে নিয়ন্ত্রণযোগ্যতা এবং অভিযোজনযোগ্যতার কারণে 3C-SiC এপিটাক্সির জন্য CVD হল পছন্দের পদ্ধতি, যা এপিটাক্সিয়াল স্তরের গুণমানের অপ্টিমাইজেশন সক্ষম করে।

রাসায়নিক বাষ্প জমা (CVD):Si এবং C ধারণকারী গ্যাসীয় যৌগগুলি একটি প্রতিক্রিয়া চেম্বারে প্রবর্তিত হয় এবং উচ্চ তাপমাত্রায় উত্তপ্ত হয়, যার ফলে তাদের পচন হয়। Si এবং C পরমাণুগুলি তখন একটি সাবস্ট্রেটে জমা হয়, সাধারণত Si, 6H-SiC, 15R-SiC, বা 4H-SiC [১১]। এই প্রতিক্রিয়া সাধারণত 1300-1500°C এর মধ্যে ঘটে। সাধারণ Si উত্সগুলির মধ্যে রয়েছে SiH4, TCS এবং MTS, যখন C উত্সগুলি প্রাথমিকভাবে C2H4 এবং C3H8, H2 বাহক গ্যাস হিসাবে। চিত্র 2 সিভিডি প্রক্রিয়ার একটি পরিকল্পিত চিত্রিত করে[12]।

                                                                                                                                                               চিত্র 2. সিভিডি প্রক্রিয়ার পরিকল্পিত

পরমানন্দ এপিটাক্সি (SE):এই পদ্ধতিতে, একটি 6H-SiC বা 4H-SiC সাবস্ট্রেট একটি ক্রুসিবলের শীর্ষে স্থাপন করা হয়, যার নীচে উত্স উপাদান হিসাবে উচ্চ-বিশুদ্ধতা SiC পাউডার থাকে। রেডিও ফ্রিকোয়েন্সি ইন্ডাকশনের মাধ্যমে ক্রুসিবলকে 1900-2100°C এ উত্তপ্ত করা হয়, একটি অক্ষীয় তাপমাত্রা গ্রেডিয়েন্ট তৈরি করতে উৎস তাপমাত্রার থেকে নিম্ন স্তরের তাপমাত্রা বজায় রাখে। এটি 3C-SiC heteroepitaxy গঠন করে, sublimated SiC কে সাবস্ট্রেটের উপর ঘনীভূত এবং স্ফটিক করার অনুমতি দেয়।

মলিকুলার বিম এপিটাক্সি (MBE):এই উন্নত পাতলা-ফিল্ম বৃদ্ধির কৌশলটি 4H-SiC বা 6H-SiC সাবস্ট্রেটে 3C-SiC এপিটাক্সিয়াল স্তর বৃদ্ধির জন্য উপযুক্ত। অতি-উচ্চ ভ্যাকুয়ামের অধীনে, উৎস গ্যাসের সুনির্দিষ্ট নিয়ন্ত্রণ উপাদান উপাদানগুলির দিকনির্দেশক পারমাণবিক বা আণবিক মরীচি গঠন করতে সক্ষম করে। এপিটাক্সিয়াল বৃদ্ধির জন্য এই বিমগুলি উত্তপ্ত স্তর পৃষ্ঠের দিকে পরিচালিত হয়।

4. উপসংহার এবং আউটলুক

ক্রমাগত প্রযুক্তিগত অগ্রগতি এবং গভীরভাবে যান্ত্রিক অধ্যয়নের সাথে, 3C-SiC heteroepitaxy সেমিকন্ডাক্টর শিল্পে একটি ক্রমবর্ধমান গুরুত্বপূর্ণ ভূমিকা পালন করতে প্রস্তুত, যা শক্তি-দক্ষ ইলেকট্রনিক ডিভাইসগুলির বিকাশকে চালিত করে। নতুন বৃদ্ধির কৌশল অন্বেষণ করা, যেমন কম ত্রুটির ঘনত্ব বজায় রেখে বৃদ্ধির হার বাড়ানোর জন্য HCl বায়ুমণ্ডল প্রবর্তন, ভবিষ্যতে গবেষণার জন্য একটি প্রতিশ্রুতিশীল উপায়। ত্রুটি গঠনের প্রক্রিয়া এবং উন্নত চরিত্রায়ন কৌশলগুলির বিকাশের আরও তদন্ত সুনির্দিষ্ট ত্রুটি নিয়ন্ত্রণ এবং অপ্টিমাইজ করা উপাদান বৈশিষ্ট্যগুলিকে সক্ষম করবে। উচ্চ-মানের, পুরু 3C-SiC ফিল্মগুলির দ্রুত বৃদ্ধি উচ্চ-ভোল্টেজ ডিভাইসগুলির চাহিদা পূরণের জন্য অত্যন্ত গুরুত্বপূর্ণ, বৃদ্ধির হার এবং বস্তুগত অভিন্নতার মধ্যে ভারসাম্য বজায় রাখার জন্য আরও গবেষণার প্রয়োজন। SiC/GaN-এর মতো হেটারোস্ট্রাকচারে 3C-SiC-এর প্রয়োগগুলিকে কাজে লাগিয়ে, পাওয়ার ইলেকট্রনিক্স, অপটোইলেক্ট্রনিক ইন্টিগ্রেশন এবং কোয়ান্টাম তথ্য প্রক্রিয়াকরণের মতো অভিনব ডিভাইসগুলিতে এর সম্ভাবনা সম্পূর্ণরূপে অন্বেষণ করা যেতে পারে।

তথ্যসূত্র:

[১] নিশিনো এস, হাজুকি ওয়াই, মাতসুনামি এইচ, এট আল। একক স্ফটিক β-SiC ফিল্মসের রাসায়নিক বাষ্প জমা করা সিলিকন সাবস্ট্রেটে স্পাটারড SiC ইন্টারমিডিয়েট লেয়ারের সাথে

[২] ইয়ে ঝিঝেন, ওয়াং ইয়াডং, হুয়াং জিংইউন, এট আল সিলিকন-ভিত্তিক সিলিকন কার্বাইড পাতলা ফিল্মের নিম্ন-তাপমাত্রা বৃদ্ধির উপর গবেষণা, 2002, 022(001):58-60। .

[৩] An Xia, Zhuang Huizhao, Li Huaixiang, et al. ম্যাগনেট্রন স্পুটারিং দ্বারা ন্যানো-SiC পাতলা ফিল্ম প্রস্তুত করা (111) Si substrate [J]: প্রাকৃতিক বিজ্ঞান সংস্করণ, 2001: 382-34. ..

[৪] সেকি কে, আলেকজান্ডার, কোজাওয়া এস, এবং অন্যান্য। সমাধান বৃদ্ধিতে সুপারস্যাচুরেশন নিয়ন্ত্রণ দ্বারা SiC-এর পলিটাইপ-নির্বাচিত বৃদ্ধি[জে]। জার্নাল অফ ক্রিস্টাল গ্রোথ, 2012, 360:176-180।

[৫] চেন ইয়াও, ঝাও ফুকিয়াং, ঝু বিংজিয়ান, হি শুয়াই দেশে এবং বিদেশে সিলিকন কার্বাইড পাওয়ার ডিভাইসের উন্নয়নের ওভারভিউ, 2020: 49-54।

[6] লি এক্স , ওয়াং জি . উন্নত রূপবিদ্যার সাথে 4H-SiC সাবস্ট্রেটে 3C-SiC স্তরগুলির CVD বৃদ্ধি [J]. সলিড স্টেট কমিউনিকেশন, 2023:371।

[7] হউ কাইওয়েন সি প্যাটার্নযুক্ত সাবস্ট্রেট এবং 3C-SiC গ্রোথ [D] এর উপর গবেষণা, 2018।

[৮]লার্স, হিলার, থমাস, এবং অন্যান্য। 3C-SiC(100) মেসা স্ট্রাকচারের ECR-এচিং-এ হাইড্রোজেন প্রভাব

[৯] Xu Qingfang লেজার রাসায়নিক বাষ্প জমার মাধ্যমে 3C-SiC পাতলা ফিল্মের প্রস্তুতি, 2016।

[১০] Foisal A R M , Nguyen T , Dinh T K , et al.3C-SiC/Si হেটেরোস্ট্রাকচার: ফটোভোলটাইক প্রভাবের উপর ভিত্তি করে অবস্থান-সংবেদনশীল ডিটেক্টরের জন্য একটি চমৎকার প্ল্যাটফর্ম

[১১] Xin Bin 3C/4H-SiC হেটেরোপিটাক্সিয়াল গ্রোথ সিভিডি প্রক্রিয়ার উপর ভিত্তি করে: ডিফেক্ট ক্যারেক্টারাইজেশন এবং বিবর্তন [ডি]।

[১২] ডং লিন বড়-এরিয়া মাল্টি-ওয়েফার এপিটাক্সিয়াল গ্রোথ টেকনোলজি এবং সিলিকন কার্বাইডের ফিজিকাল প্রোপার্টি ক্যারেক্টারাইজেশন অফ চাইনিজ একাডেমি অফ সায়েন্স, 2014।

[১৩] ডায়ানি এম, সাইমন এল, কুবলার এল, এট আল। 6H-SiC(0001) সাবস্ট্রেটে 3C-SiC পলিটাইপের স্ফটিক বৃদ্ধি [J]। জার্নাল অফ ক্রিস্টাল গ্রোথ, 2002, 235(1):95-102।