Heteroepitaxy of 3C-SiC: En översikt

1. Historisk utveckling av 3C-SiC

Utvecklingen av 3C-SiC, en betydande polytyp av kiselkarbid, återspeglar den kontinuerliga utvecklingen av halvledarmaterialvetenskap. På 1980-talet, Nishino et al. uppnådde först en 4 μm tjock 3C-SiC-film på ett kiselsubstrat med kemisk ångavsättning (CVD)[1], vilket lade grunden för 3C-SiC-tunnfilmsteknologi.

1990-talet markerade en guldålder för SiC-forskning. Cree Research Inc.s lansering av 6H-SiC- och 4H-SiC-chips 1991 respektive 1994 drev på kommersialiseringen av SiC-halvledarenheter. Dessa tekniska framsteg lade grunden för efterföljande forskning och tillämpningar av 3C-SiC.

I början av 2000-talet såg kiselbaserade SiC-filmer också betydande framsteg i Kina. Ye Zhizhen et al. tillverkade SiC-filmer på kiselsubstrat med användning av CVD vid låga temperaturer 2002[2], medan An Xia et al. uppnådde liknande resultat med hjälp av magnetronförstoftning vid rumstemperatur 2001[3].

Den stora gallermissanpassningen mellan Si och SiC (ungefär 20%) ledde emellertid till en hög defektdensitet i 3C-SiC-epitaxialskiktet, särskilt dubbla positioneringsgränser (DPB). För att mildra detta valde forskare substrat som 6H-SiC, 15R-SiC eller 4H-SiC med en (0001) orientering för att växa 3C-SiC epitaxiella skikt, vilket minskade defektdensiteten. Till exempel, 2012, Seki, Kazuaki et al. föreslog en teknik för kontroll av kinetisk polymorfism, som uppnår selektiv tillväxt av 3C-SiC och 6H-SiC på 6H-SiC(0001)-frön genom att kontrollera övermättnad[4-5]. År 2023, Xun Li et al. framgångsrikt erhållit släta 3C-SiC epitaxiella lager fria från DPBs på 4H-SiC-substrat med optimerad CVD-tillväxt med en hastighet av 14 μm/h[6].

2. Kristallstruktur och tillämpningar av 3C-SiC

Bland de många SiC-polytyperna är 3C-SiC, även känd som β-SiC, den enda kubiska polytypen. I denna kristallstruktur existerar Si- och C-atomer i ett ett-till-ett-förhållande, och bildar en tetraedrisk enhetscell med starka kovalenta bindningar. Strukturen kännetecknas av Si-C-dubbelskikt arrangerade i en ABC-ABC-...-sekvens, där varje enhetscell innehåller tre sådana dubbelskikt, betecknade med C3-notationen. Figur 1 illustrerar kristallstrukturen för 3C-SiC.

                                                                                                                                                                           Figur 1. Kristallstruktur av 3C-SiC

För närvarande är kisel (Si) det mest använda halvledarmaterialet för kraftenheter. Dess inneboende begränsningar begränsar dock dess prestanda. Jämfört med 4H-SiC och 6H-SiC har 3C-SiC den högsta teoretiska elektronrörligheten vid rumstemperatur (1000 cm2·V-1·s-1), vilket gör det mer fördelaktigt för MOSFET-tillämpningar. Dessutom gör dess höga genombrottsspänning, utmärkta värmeledningsförmåga, höga hårdhet, breda bandgap, högtemperaturbeständighet och strålningsmotstånd 3C-SiC mycket lovande för applikationer inom elektronik, optoelektronik, sensorer och extrema miljöer:

Tillämpningar med hög effekt, hög frekvens och hög temperatur: 3C-SiC:s höga genombrottsspänning och höga elektronrörlighet gör den idealisk för tillverkning av kraftenheter som MOSFET, särskilt i krävande miljöer[7].

Nanoelektronik och mikroelektromekaniska system (MEMS): Dess kompatibilitet med kiselteknologi möjliggör tillverkning av strukturer i nanoskala, vilket möjliggör tillämpningar i nanoelektronik och MEMS-enheter[8].

Optoelektronik:Som ett halvledarmaterial med breda band är 3C-SiC lämplig för blå lysdioder (LED). Dess höga ljuseffektivitet och enkla dopning gör den attraktiv för applikationer inom belysning, displayteknik och lasrar[9].

Sensorer:3C-SiC används i positionskänsliga detektorer, särskilt positionskänsliga laserpunktsdetektorer baserade på den laterala fotovoltaiska effekten. Dessa detektorer uppvisar hög känslighet under nollförspänningsförhållanden, vilket gör dem lämpliga för precisionspositioneringstillämpningar[10].

3. Beredningsmetoder för 3C-SiC Heteroepitaxy

Vanliga metoder för 3C-SiC heteroepitaxi inkluderar kemisk ångavsättning (CVD), sublimationsepitaxi (SE), vätskefasepitaxi (LPE), molekylär strålepitaxi (MBE) och magnetronförstoftning. CVD är den föredragna metoden för 3C-SiC epitaxi på grund av dess kontrollerbarhet och anpassningsförmåga vad gäller temperatur, gasflöde, kammartryck och reaktionstid, vilket möjliggör optimering av det epitaxiella lagrets kvalitet.

Kemisk ångdeposition (CVD):Gasformiga föreningar som innehåller Si och C införs i en reaktionskammare och upphettas till höga temperaturer, vilket leder till deras sönderdelning. Si- och C-atomerna avsätts sedan på ett substrat, typiskt Si, 6H-SiC, 15R-SiC eller 4H-SiC [11]. Denna reaktion sker vanligtvis mellan 1300-1500°C. Vanliga Si-källor inkluderar SiH4, TCS och MTS, medan C-källor i första hand är C2H4 och C3H8, med H2 som bärargas. Figur 2 visar en schematisk bild av CVD-processen[12].

                                                                                                                                                               Figur 2. Schematisk över CVD-processen

Sublimationsepitaxi (SE):I denna metod placeras ett 6H-SiC- eller 4H-SiC-substrat på toppen av en degel, med högrent SiC-pulver som källmaterial i botten. Degeln värms upp till 1900-2100°C via radiofrekvensinduktion, vilket håller substrattemperaturen lägre än källtemperaturen för att skapa en axiell temperaturgradient. Detta tillåter sublimerad SiC att kondensera och kristallisera på substratet, vilket bildar 3C-SiC heteroepitaxi.

Molecular Beam Epitaxi (MBE):Denna avancerade tunnfilmstillväxtteknik är lämplig för odling av 3C-SiC-epitaxiallager på 4H-SiC- eller 6H-SiC-substrat. Under ultrahögt vakuum möjliggör exakt kontroll av källgaser bildandet av riktade atomära eller molekylära strålar av ingående element. Dessa strålar riktas mot den uppvärmda substratytan för epitaxiell tillväxt.

4. Slutsats och framtidsutsikter

Med kontinuerliga tekniska framsteg och djupgående mekanistiska studier är 3C-SiC heteroepitaxy redo att spela en allt viktigare roll i halvledarindustrin, vilket driver utvecklingen av energieffektiva elektroniska enheter. Att utforska nya tillväxttekniker, som att introducera HCl-atmosfärer för att öka tillväxthastigheten samtidigt som låga defektdensiteter bibehålls, är en lovande väg för framtida forskning. Ytterligare undersökning av defektbildningsmekanismer och utveckling av avancerade karakteriseringstekniker kommer att möjliggöra exakt defektkontroll och optimerade materialegenskaper. Snabb tillväxt av högkvalitativa, tjocka 3C-SiC-filmer är avgörande för att möta kraven från högspänningsenheter, vilket kräver ytterligare forskning för att ta itu med balansen mellan tillväxthastighet och materiallikformighet. Genom att utnyttja tillämpningarna av 3C-SiC i heterostrukturer som SiC/GaN kan dess potential i nya enheter som kraftelektronik, optoelektronisk integration och kvantinformationsbehandling utforskas till fullo.

Referenser:

[1] Nishino S, Hazuki Y, Matsunami H, et al. Kemisk ångavsättning av enkla kristallina β-SiC-filmer på kiselsubstrat med förstoftat SiC-mellanskikt[J]. Journal of The Electrochemical Society, 1980, 127(12):2674-2680.

[2] Ye Zhizhen, Wang Yadong, Huang Jingyun, et al. Forskning om lågtemperaturtillväxt av tunnfilmer av kiselkarbid [J] Journal of Vacuum Science and Technology, 2002, 022(001):58-60. .

[3] An Xia, Zhuang Huizhao, Li Huaixiang, et al. Framställning av tunna nano-SiC-filmer genom magnetronförstoftning på (111) Si-substrat [J] Journal of Shandong Normal University: Natural Science Edition, 2001: 382-384 ..

[4] Seki K, Alexander, Kozawa S, et al. Polytypselektiv tillväxt av SiC genom övermättnadskontroll i lösningstillväxt[J]. Journal of Crystal Growth, 2012, 360:176-180.

[5] Chen Yao, Zhao Fuqiang, Zhu Bingxian, He Shuai Översikt över utvecklingen av kiselkarbidkraftenheter hemma och utomlands [J] Vehicle and Power Technology, 2020: 49-54.

[6] Li X , Wang G .CVD-tillväxt av 3C-SiC-lager på 4H-SiC-substrat med förbättrad morfologi[J].Solid State Communications, 2023:371.

[7] Hou Kaiwen Forskning om Si-mönstrat substrat och dess tillämpning i 3C-SiC-tillväxt [D] Xi'an University of Technology, 2018.

[8]Lars, Hiller, Thomas, et al. Hydrogen Effects in ECR-Etching of 3C-SiC(100) Mesa Structures[J].Materials Science Forum, 2014.

[9] Xu Qingfang Beredning av 3C-SiC tunna filmer genom laserkemisk ångavsättning [D] Wuhan University of Technology, 2016.

[10] Foisal A R M , Nguyen T , Dinh T K , et al.3C-SiC/Si Heterostructure: An Excellent Platform for Position-Sensitive Detectors Based on Photovoltaic Effect[J].ACS Applied Materials & Interfaces, 2019: 40980-40987.

[11] Xin Bin 3C/4H-SiC heteroepitaxiell tillväxt baserad på CVD-process: defektkarakterisering och evolution [D].

[12] Dong Lin Storarea multi-wafer epitaxial tillväxtteknologi och fysisk egenskapskarakterisering av kiselkarbid [D] University of Chinese Academy of Sciences, 2014.

[13] Diani M, Simon L, Kubler L, et al. Kristalltillväxt av 3C-SiC-polytyp på 6H-SiC(0001)-substrat[J]. Journal of Crystal Growth, 2002, 235(1):95-102.