3C-SiC کا ہیٹروپیٹاکسی: ایک جائزہ

1. 3C-SiC کی تاریخی ترقی

3C-SiC کی ترقی، سلکان کاربائیڈ کی ایک اہم پولی ٹائپ، سیمی کنڈکٹر میٹریل سائنس کی مسلسل ترقی کی عکاسی کرتی ہے۔ 1980 کی دہائی میں، نشینو وغیرہ۔ کیمیکل وانپ ڈپوزیشن (CVD)[1] کا استعمال کرتے ہوئے سلیکون سبسٹریٹ پر سب سے پہلے 4 μm موٹی 3C-SiC فلم حاصل کی، جس نے 3C-SiC پتلی فلم ٹیکنالوجی کی بنیاد رکھی۔

1990 کی دہائی کو SiC تحقیق کے لیے سنہری دور قرار دیا گیا۔ کری ریسرچ انکارپوریشن کی جانب سے بالترتیب 1991 اور 1994 میں 6H-SiC اور 4H-SiC چپس کے اجراء نے SiC سیمی کنڈکٹر آلات کی کمرشلائزیشن کو آگے بڑھایا۔ اس تکنیکی ترقی نے 3C-SiC کے بعد کی تحقیق اور ایپلی کیشنز کی بنیاد رکھی۔

21ویں صدی کے اوائل میں، سلیکون پر مبنی SiC فلموں نے بھی چین میں نمایاں ترقی دیکھی۔ Ye Zhizhen et al. 2002 میں کم درجہ حرارت پر CVD کا استعمال کرتے ہوئے سلکان سبسٹریٹس پر من گھڑت SiC فلمیں[2]، جبکہ An Xia et al. 2001 میں کمرے کے درجہ حرارت پر میگنیٹران سپٹرنگ کا استعمال کرتے ہوئے اسی طرح کے نتائج حاصل کیے[3]۔

تاہم، Si اور SiC (تقریباً 20%) کے درمیان بڑی جالیوں کی مماثلت 3C-SiC ایپیٹیکسیل پرت، خاص طور پر ڈبل پوزیشننگ باؤنڈریز (DPBs) میں زیادہ خرابی کی کثافت کا باعث بنی۔ اس کو کم کرنے کے لیے، محققین نے 6H-SiC، 15R-SiC، یا 4H-SiC جیسے 3C-SiC ایپیٹیکسیل تہوں کو بڑھنے کے لیے (0001) واقفیت کے ساتھ ذیلی جگہوں کا انتخاب کیا، اس طرح عیب کی کثافت کو کم کیا گیا۔ مثال کے طور پر، 2012 میں، Seki، Kazuaki et al. سپر سیچوریشن[4-5] کو کنٹرول کرتے ہوئے 6H-SiC(0001) بیجوں پر 3C-SiC اور 6H-SiC کی منتخب ترقی حاصل کرنے کے لیے ایک متحرک پولیمورفزم کنٹرول تکنیک کی تجویز پیش کی۔ 2023 میں، Xun Li et al. 4H-SiC سبسٹریٹس پر DPBs سے پاک ہموار 3C-SiC ایپیٹیکسیل تہوں کو 14 μm/h[6] کی شرح کے ساتھ بہترین CVD گروتھ کا استعمال کرتے ہوئے کامیابی کے ساتھ حاصل کیا۔

2. 3C-SiC کا کرسٹل ڈھانچہ اور اطلاقات

متعدد SiC پولی ٹائپس میں، 3C-SiC، جسے β-SiC بھی کہا جاتا ہے، واحد کیوبک پولی ٹائپ ہے۔ اس کرسٹل ڈھانچے میں، Si اور C ایٹم ایک سے ایک کے تناسب میں موجود ہیں، جو مضبوط ہم آہنگی بانڈز کے ساتھ ٹیٹراہیڈرل یونٹ سیل بناتے ہیں۔ ڈھانچے کی خصوصیت ABC-ABC-… ترتیب میں ترتیب دی گئی Si-C بائلیئرز سے ہوتی ہے، جس میں ہر یونٹ سیل تین ایسے بائلیئرز پر مشتمل ہوتا ہے، جسے C3 اشارے سے ظاہر کیا جاتا ہے۔ شکل 1 3C-SiC کے کرسٹل ڈھانچے کی وضاحت کرتا 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، اس کی موروثی حدود اس کی کارکردگی کو محدود کرتی ہیں۔ 4H-SiC اور 6H-SiC کے مقابلے میں، 3C-SiC کمرے کے درجہ حرارت (1000 cm2·V-1·s-1) پر سب سے زیادہ نظریاتی الیکٹران کی نقل و حرکت رکھتا ہے، جو اسے MOSFET ایپلی کیشنز کے لیے زیادہ فائدہ مند بناتا ہے۔ مزید برآں، اس کا ہائی بریک ڈاؤن وولٹیج، بہترین تھرمل چالکتا، اعلی سختی، وسیع بینڈ گیپ، اعلی درجہ حرارت کی مزاحمت، اور تابکاری مزاحمت 3C-SiC کو الیکٹرانکس، آپٹو الیکٹرانکس، سینسرز، اور انتہائی ماحول میں ایپلی کیشنز کے لیے انتہائی امید افزا بناتی ہے:

ہائی پاور، ہائی فریکونسی، اور ہائی ٹمپریچر ایپلی کیشنز: 3C-SiC کا ہائی بریک ڈاؤن وولٹیج اور ہائی الیکٹران موبلٹی اسے MOSFETs جیسے پاور ڈیوائسز بنانے کے لیے مثالی بناتی ہے، خاص طور پر ڈیمانڈنگ ماحول میں[7]۔

نینو الیکٹرانکس اور مائیکرو الیکٹرو مکینیکل سسٹمز (MEMS): سلیکون ٹیکنالوجی کے ساتھ اس کی مطابقت نانوسکل ڈھانچے کی تیاری کی اجازت دیتی ہے، نینو الیکٹرانکس اور MEMS آلات میں ایپلی کیشنز کو فعال کرتی ہے[8]۔

آپٹو الیکٹرانکس:وسیع بینڈ گیپ سیمی کنڈکٹر مواد کے طور پر، 3C-SiC نیلی روشنی خارج کرنے والے ڈایڈس (LEDs) کے لیے موزوں ہے۔ اس کی اعلیٰ چمکیلی کارکردگی اور ڈوپنگ میں آسانی اسے لائٹنگ، ڈسپلے ٹیکنالوجیز، اور لیزرز میں ایپلی کیشنز کے لیے پرکشش بناتی ہے[9]۔

سینسر:3C-SiC پوزیشن حساس ڈٹیکٹرز میں کام کرتا ہے، خاص طور پر لیزر اسپاٹ پوزیشن حساس ڈیٹیکٹر لیٹرل فوٹوولٹک اثر پر مبنی ہے۔ یہ ڈیٹیکٹر صفر تعصب کے حالات میں اعلیٰ حساسیت کا مظاہرہ کرتے ہیں، جو انہیں درست پوزیشننگ ایپلی کیشنز کے لیے موزوں بناتے ہیں[10]۔

3. 3C-SiC Heteroepitaxy کے لیے تیاری کے طریقے

3C-SiC heteroepitaxy کے عام طریقوں میں کیمیائی بخارات جمع کرنا (CVD)، sublimation epitaxy (SE)، مائع فیز epitaxy (LPE)، مالیکیولر بیم epitaxy (MBE)، اور میگنیٹران سپٹرنگ شامل ہیں۔ درجہ حرارت، گیس کے بہاؤ، چیمبر کے دباؤ، اور رد عمل کے وقت کے لحاظ سے کنٹرول اور موافقت کی وجہ سے 3C-SiC ایپیٹیکسی کے لیے CVD ایک ترجیحی طریقہ ہے، جس سے ایپیٹیکسیل پرت کے معیار کو بہتر بنایا جا سکتا ہے۔

کیمیائی بخارات جمع (CVD):سی اور سی پر مشتمل گیسی مرکبات کو ایک رد عمل کے چیمبر میں متعارف کرایا جاتا ہے اور اعلی درجہ حرارت پر گرم کیا جاتا ہے، جس کی وجہ سے وہ گل جاتے ہیں۔ پھر Si اور C ایٹم سبسٹریٹ پر جمع ہوتے ہیں، عام طور پر Si، 6H-SiC، 15R-SiC، یا 4H-SiC [11]۔ یہ ردعمل عام طور پر 1300-1500 ° C کے درمیان ہوتا ہے۔ عام سی ذرائع میں SiH4، TCS، اور MTS شامل ہیں، جبکہ C کے ذرائع بنیادی طور پر C2H4 اور C3H8 ہیں، H2 بطور کیریئر گیس۔ شکل 2 CVD کے عمل کی اسکیمیٹک کو ظاہر کرتا ہے[12]۔

                                                                                                                                                               شکل 2. CVD کے عمل کی منصوبہ بندی

Sublimation Epitaxy (SE):اس طریقہ کار میں، ایک 6H-SiC یا 4H-SiC سبسٹریٹ کو ایک کروسیبل کے اوپر رکھا جاتا ہے، جس کے نچلے حصے میں ماخذ مواد کے طور پر اعلیٰ پاکیزگی والا SiC پاؤڈر ہوتا ہے۔ کروسیبل کو ریڈیو فریکوئنسی انڈکشن کے ذریعے 1900-2100°C پر گرم کیا جاتا ہے، جس سے سبسٹریٹ کا درجہ حرارت ماخذ کے درجہ حرارت سے کم ہوتا ہے تاکہ محوری درجہ حرارت کا میلان بنایا جا سکے۔ یہ sublimated SiC کو سبسٹریٹ پر گاڑھا اور کرسٹلائز کرنے کی اجازت دیتا ہے، جس سے 3C-SiC heteroepitaxy بنتا ہے۔

مالیکیولر بیم ایپیٹیکسی (MBE):پتلی فلم کی ترقی کی یہ جدید تکنیک 4H-SiC یا 6H-SiC سبسٹریٹس پر 3C-SiC ایپیٹیکسیل تہوں کو اگانے کے لیے موزوں ہے۔ الٹرا ہائی ویکیوم کے تحت، ماخذ گیسوں کا درست کنٹرول جزوی عناصر کے دشاتمک ایٹم یا مالیکیولر بیم کی تشکیل کے قابل بناتا ہے۔ یہ شہتیر epitaxial نمو کے لیے گرم سبسٹریٹ سطح کی طرف ہوتے ہیں۔

4. نتیجہ اور آؤٹ لک

مسلسل تکنیکی ترقی اور گہرائی سے میکانکی مطالعات کے ساتھ، 3C-SiC heteroepitaxy سیمی کنڈکٹر انڈسٹری میں تیزی سے اہم کردار ادا کرنے کے لیے تیار ہے، جس سے توانائی کی بچت والے الیکٹرانک آلات کی ترقی ہو رہی ہے۔ ترقی کی نئی تکنیکوں کی کھوج کرنا، جیسے کہ کم خرابی کی کثافت کو برقرار رکھتے ہوئے شرح نمو کو بڑھانے کے لیے HCl ماحول کو متعارف کرانا، مستقبل کی تحقیق کے لیے ایک امید افزا راستہ ہے۔ نقائص کی تشکیل کے طریقہ کار کے بارے میں مزید تفتیش اور خصوصیت کی جدید تکنیکوں کی ترقی سے عیب پر قابو پانے اور مادی خصوصیات کو بہتر بنایا جا سکے گا۔ اعلیٰ معیار کی، موٹی 3C-SiC فلموں کی تیز رفتار ترقی ہائی وولٹیج ڈیوائسز کے مطالبات کو پورا کرنے کے لیے اہم ہے، جس میں شرح نمو اور مادی یکسانیت کے درمیان توازن کو حل کرنے کے لیے مزید تحقیق کی ضرورت ہے۔ SiC/GaN جیسے heterostructures میں 3C-SiC کی ایپلی کیشنز کا فائدہ اٹھاتے ہوئے، پاور الیکٹرانکس، آپٹو الیکٹرانک انٹیگریشن، اور کوانٹم انفارمیشن پروسیسنگ جیسے نئے آلات میں اس کی صلاحیت کو پوری طرح تلاش کیا جا سکتا ہے۔

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] کی بنیاد پر پوزیشن حساس ڈیٹیکٹرز 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 رقبے کی ملٹی ویفر ایپیٹیکسیل گروتھ ٹیکنالوجی اور سلیکون 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۔