Для обеспечения технологической независимости и конкурентоспособности государства в области материалов для компонентной базы электроники нового поколения с ранее недостижимыми режимами и условиями эксплуатации разработана основанная на приоритетных отечественных исследованиях технология выращивания объемных слитков широкозонного алмазоподобного полупроводникового карбида кремния с управляемой нанослоевой структурой и зависящими от нее физическими и химическими свойствами.

sitemap
Наш сайт использует cookies. Продолжая просмотр, вы даёте согласие на обработку персональных данных и соглашаетесь с нашей Политикой Конфиденциальности
Согласен
Поиск:

Вход
Архив журнала
Журналы
Медиаданные
Редакционная политика
Реклама
Авторам
Контакты
TS_pub
technospheramag
technospheramag
ТЕХНОСФЕРА_РИЦ
© 2001-2025
РИЦ Техносфера
Все права защищены
Тел. +7 (495) 234-0110
Оферта

Яндекс.Метрика
R&W
 
 
Вход:

Ваш e-mail:
Пароль:
 
Регистрация
Забыли пароль?
Книги по нанотехнологиям
Пул Ч.П. мл., Оуэнс Ф.Дж.
Под ред. Л.И. Трахтенберга, М.Я. Мельникова
Другие серии книг:
Мир материалов и технологий
Библиотека Института стратегий развития
Мир квантовых технологий
Мир математики
Мир физики и техники
Мир биологии и медицины
Мир химии
Мир наук о Земле
Мир электроники
Мир программирования
Мир связи
Мир строительства
Мир цифровой обработки
Мир экономики
Мир дизайна
Мир увлечений
Мир робототехники и мехатроники
Для кофейников
Мир радиоэлектроники
Библиотечка «КВАНТ»
Умный дом
Мировые бренды
Вне серий
Библиотека климатехника
Мир транспорта
Мир фотоники
Мир станкостроения
Мир метрологии
Мир энергетики
Книги, изданные при поддержке РФФИ
Выпуск #1/2010
В.Лучинин, Ю.Таиров.
Карбид кремния – алмазоподобный материал с управляемыми наноструктурно-зависимыми свойствами
Просмотры: 10547
Для обеспечения технологической независимости и конкурентоспособности государства в области материалов для компонентной базы электроники нового поколения с ранее недостижимыми режимами и условиями эксплуатации разработана основанная на приоритетных отечественных исследованиях технология выращивания объемных слитков широкозонного алмазоподобного полупроводникового карбида кремния с управляемой нанослоевой структурой и зависящими от нее физическими и химическими свойствами.
Рынок карбида кремния

В 2008 году объем продаж изделий из монокристаллического карбида кремния (SiC) составил ~2 млрд. долл. и за последний год вырос на 38%. В мире существует не более 10 компаний, которые занимаются разработкой технологии производства этого материала, причем около 90% от общего объема его производства приходится на США. Признанным лидером, а фактически монополистом (90% рынка США) в области производства монокристаллического SiC является Сrее Inc. Только эта фирма, фактически используя в качестве технологического базиса «метод ЛЭТИ», занимается коммерческой продажей монокристаллического SiC и изделий из него.
На поставки карбидокремниевых подложек, эпитаксиальных структур и электронной компонентной базы на основе SiC существуют определенные и достаточно жесткие ограничения со стороны производителя, что вызывает значительный интерес к выходу на независимых поставщиков данного вида продукции со стороны крупнейших зарубежных производителей электроники.
Актуальность для России промышленной реализации отечественной разработки в этой сфере определяется отсутствием в стране устойчивого производства подложек и эпитаксиальных структур карбида кремния и ЭКБ на их основе, что значительно снижает экспортный потенциал страны в наукоемких областях.

Карбид кремния – наноструктурно-зависимое семейство материалов
Карбид кремния по терминологии, принятой в первом разделе рубрикатора (Н) госкорпорации «Роснано», может быть отнесен к наноматериалам, «макроскопические свойства которых определяются размерами и/или взаимным расположением элементов» [1]. Это слоистый материал, свойства которого зависят от порядка чередования наноразмерых элементов (слоев). Фактически SiC имеет кристаллическую слоистую сверхструктуру, построенную из элементарных слоев трех типов: A, B и С (рис.1), отличающихся друг от друга кристаллической упаковкой в пределах одного слоя. Период повторения их последовательности может варьироваться от десятков ангстрем до десятка нанометров, что обеспечивает формирование слоистых сверхрешеток, макроскопические свойства которых зависят от взаимного расположения таких слоев.
В результате при синтезе формируется ряд индивидуальных слоистых структурных модификаций, называемых политипами (3С, 2Н, 4Н, 6Н, 21R) и отличающихся электрофизическими (ширина запрещенной зоны, подвижность носителей заряда), оптическими (коэффициенты поглощения, преломления) и химическими (скорость окисления, диффузии примесей) свойствами (рис.2).
Фактически, в рамках общей химической формулы – SiC – карбид кремния объединяет в себе семейство широкозонных материалов и является наноструктурированным слоистым полупроводником, макроскопические свойства которого зависят от взаимного расположения слоев, т. е. от последовательности их чередования и периода трансляции [2].
Разработанные в России процессы целенаправленного синтеза ряда слоистых композиций на основе кремния и углерода позволяют получать наноупорядоченный карбид кремния с заданными последовательностью чередования и периодом повторения слоев, что обеспечивает создание материала с заранее определенными функциональными свойствами (например, высокой подвижностью носителей заряда у политипа 4Н), пригодного для решения конкретных задач при изготовлении электронной компонентной базы (ЭКБ).
В основе разработанных процессов лежит критерий управления протяженностью слоевой структуры SiC как функции условий синтеза [3], базисом которого является кинетическая зависимость неравновесных процессов упорядочения от скорости поступления вещества на поверхность роста, температуры и методов подготовки поверхности подложки-затравки, основного и примесного состава ростовой среды. Этот критерий позволил определить условия управляемого получения промышленно значимых структурных модификаций SiC и целенаправленно формировать их композиции как слоевые, так и латеральные – в плоскости подложки затравки (рис.3).
На основе карбида кремния возможно также формирование объектов, представляющих собой гетероструктуры в виде сочетания различных модификаций SiC: кубической и гексагональных 3С-2Н, 3С-6Н, а также гетероструктурных нанокомпозиций этого соединения с другими материалами, идеально сочетающимися с ним кристаллохимически и термомеханически: нитридами алюминия и галлия [4].
Следует также отметить, что последние исследования указывают на возможность стимулированного подложкой матричного устойчивого псевдоморфного (наследующего при эпитаксии структуру подложки другого материала) синтеза других структурных модификаций нитридов алюминия и галлия, для которых обычно характерна структура вюрцита (политип 2Н), что значительно расширяет функциональные возможности материалов и их композиций.
Карбид кремния – алмазоподобный широкозонный полупроводник
Среди вышеуказанного семейства широкозонных материалов (рис.4) карбид кремния выделяет высокая температура Дебая, характеризующая его устойчивость к внешним воздействиям. Чрезвычайно ценным качеством является также достаточно высокая теплопроводность SiC, уступающая лишь алмазу, но в несколько раз превосходящая аналогичный параметр для меди.
Такие особенности материалов на основе карбида кремния не могли остаться не замеченными исследователями и разработчиками ЭКБ. В области силовой, в том числе быстродействующей электроники наибольший интерес представляют эпитаксиальные структуры на его основе; в СВЧ-электронике повышенной мощности доминируют композиции GaN/AlN/SiC; в оптоэлектронике особый интерес представляют структуры GaAlN/SiC, обеспечивающие излучение, в том числе в УФ-области спектра. Для микросистемной техники важны твердость и теплопроводность SiC, наличие пъезоэффекта у кристаллохимически совместимого с ним нитрида алюминия.
Во многом конечный успех в создании современной ЭКБ определяется решением проблемы подложки, т.е. SiC-субстрата, к которому могут предъявляться различные требования. Главным среди них остается стоимость.
Целесообразно выделить ряд технических требований, предъявляемых к подложкам SiC и определяющих эффективность создания на их основе широкой номенклатуры ЭКБ:
диаметр - 50,8 … 101,6 мм;
толщина - 350 ± 50 мкм;
структурная политипная однородность - 4Н или 6Н;
удельное сопротивление -10-3 -1012 Ом•см;
тип проводимости - n-(азот) p-(алюминий);
плотность дислокаций - <103 см-2;
плотность микропор - <5 см-2.
Дополнительные требования могут выдвигаться в отношении качества подготовки подложки с учетом реализации последующих процессов эпитаксии SiC или соединений MeIIINV, осуществляемых, как правило, методом CVD, т.е. осаждением из газовой фазы или MBE – молекулярной эпитаксией в глубоком вакууме. Следует отметить, что в настоящее время при выполнении определенной совокупности вышеуказанных требований стоимость одного квадратного дюйма подложки SiC в среднем составляет не менее 100 долл.
Российская технология выращивания монокристаллического SiC – «метод ЛЭТИ»
Выращивание монокристаллов карбида кремния представляет собой достаточно сложную техническую задачу. Главной проблемой при получении кристаллов SiC является отсутствие у него при реально технически достижимых давлениях жидкой фазы, а также высокие температуры синтеза этого алмазоподобного материала.
При выращивании полупроводниковых монокристаллов карбида кремния наиболее распространенным является метод сублимации, т.е. испарение и конденсация синтезируемого материала.
Впервые для получения кристаллического материала метод сублимации был предложен в конце ХIХ века Ачесоном и до сих пор используется лишь с небольшими изменениями. Вместе с тем, кристаллический карбид кремния для производства абразивов, получаемый этим методом, имеет два основных недостатка, препятствующих его использованию в электронике – неконтролируемое структуро- и формообразование кристаллов и их сильное загрязнение.
Новой точкой отсчета в развитии технологии получения монокристаллов полупроводникового SiC методом сублимации явилась работа голландского физика Лели [5]. Кристаллы, выращиваемые по его методу, позволили провести исследования основных фундаментальных свойств карбида кремния и изготовить первые полупроводниковые приборы на этом материале. Вместе с тем, оба представленных метода принципиально не позволяли выращивать кристаллы SiC большого размера, пригодные для серийного производства электронных приборов.
Комплексные исследования массопереноса, термодинамики процессов в газовой фазе, кинетики кристаллизации и структурообразования политипов при выращивании карбида кремния [3, 4, 6], обеспечили более глубокое понимание особенностей сублимационного роста SiC и позволили сформировать основу для нового подхода к синтезу монокристаллических слитков данного бинарного соединения.
Впервые результаты по выращиванию объемных монокристаллов-слитков SiС были представлены сотрудниками Ленинградского электротехнического института (ЛЭТИ) Ю.М. Таировым и В.Ф. Цветковым на Первой европейской конференции по выращиванию кристаллов из газовой фазы (Цюрих, Швейцария, 1976 г.), а первая полномасштабная публикация по выращиванию кристаллов SiC, получившему название «метод ЛЭТИ», появилась в 1978 году [7].
В основу метода были положены: классическая схема конденсации пересыщенного пара на монокристалл-затравку (управление процессом зародышеобразования), ограничение на начальном этапе скорости кристаллизации за счет реализации данной стадии в атмосфере инертного газа (подавление спонтанного зарождения и образования поликристалла) и откачка инертного газа из камеры вплоть до достаточно высокого вакуума (обеспечение постепенного увеличения скорости роста до нескольких миллиметров в час). В качестве затравок использовались монокристаллы гексоганальной формы, размером не более 20х20 мм2, полученные методом Лели, а в качестве источника материала – поликристаллический карбид кремния, синтезируемый из кремния и углерода полупроводниковой чистоты.
Понимание основных закономерностей сублимационного роста кристаллов позволило разработать конструкцию и методику выращивания объемных монокристаллов SiC больших размеров.
Эволюция методов получения кристаллов карбида кремния проиллюстрирована на рис.5.
В настоящее время в СПбГЭТУ «ЛЭТИ» коммерчески доступны монокристаллы SiC диаметром 75 мм (рис.6). Такие размеры позволяют применять базовые процессы планарной технологии и создавать на основе кристаллов-подложек SiC различные типы приборов силовой и высокочастотной электроники, оптоэлектроники и микросистемной техники.
В разработке находится метод изготовления слитков карбида кремния диаметром 100 мм (рис.7).
В целом следует отметить, что освоение промышленного производства широкозонного алмазоподобного материала с наноразмерно-зависимыми функциональными свойствами и как следствие карбидокремниевых подложек и эпитаксиальных структур, а также разработка конструктивно-технологических решений для реализации ЭКБ силовой и СВЧ-электроники, оптоэлектроники и микросистемной техники на основе композиций GaN, AIN, SiC позволит перейти к серийному отечественному производству технически востребованных и коммерчески эффективных электронных изделий нового поколения, в том числе:
приборов силовой электроники для эксплуатации в системах с повышенными значениями напряжений (более 6 кВ) и плотностей тока (до 5х103А/см2);
приборов высокочастотной электроники для эксплуатации в системах с повышенными значениями показателя «мощность-частота» (до 104Вт за 10-11 с);
датчиков основных функциональных величин (температуры, давления, потока) для эксплуатации в условиях высоких температур (более 400°С) , радиации (до 1016 нейтронов/см2), агрессивных сред;
cветоизлучающих низковольтных (2–3 В) ресурсосберегающих светотехнических систем.
Достижение указанных целей позволит обеспечить технологическую независимость и конкурентоспособность России в стратегически и экономически эффективных наукоемких областях при создании техники нового поколения с ранее недостижимыми энергетическими, частотными, массогабаритными параметрами, режимами и условиями эксплуатации.
Литература
1. 7 шагов к созданию бизнеса: Руководство заявителя. Государственная корпорация «Роснано». – М., 2008, с. 15.
2. Верма А.А. и Кришна П. Полиморфизм и политипизм в кристаллах. – М.: Мир, 1969, с. 273.
3. Кальнин А.А., Лучинин В.В., Нойберт Ф., Таиров Ю.М. Закономерность эволюции кристаллической структуры при синтезе веществ, обладающих множеством структурно-устойчивых состояний. – Журнал технической физики, 1984, т. 54, вып.7, с. 1388–1390.
4. Лучинин В.В., Таиров Ю.М. Гетероэпитаксиальная композиция: редкий политип карбида кремния 2Н на изолирующей подложке: нитрид алюминия-сапфир. – Письма в ЖТФ, 1984, т.10, вып. 14, с. 873.
5. Lely J.A. Darstellung von Einkristallen von Siliciumcarbid und Beherrschung von Art und menge der Eingebauten Verunreinigungen. – Ber. Dt. Keram. Ges. (1955), vol. 32, р. 229.
6. Авров Д.Д., БулатовА.В., Дорожкин С.М., Лебедев А.О., Таиров Ю.М. Рост слитков карбида кремния политипа 4Н на затравках с плоскостью (10-10). – ФТП, 2008, т. 42, вып. 12, с. 1483–1487.
7. Tairov Yu.M. and Tsvetkov V.F. Investigation of growth processes of ingots of silicon carbide single crystals. – J. Crystal Growth., 1978, vol. 43, р. 209.
 
 Отзывы читателей
Разработка: студия Green Art