Хетероепитаксия на 3C-SiC: Общ преглед

1. Историческо развитие на 3C-SiC

Развитието на 3C-SiC, важен политип силициев карбид, отразява непрекъснатия напредък на науката за полупроводниковите материали. През 80-те години Nishino et al. за първи път постигна 4 μm дебел 3C-SiC филм върху силиконов субстрат с помощта на химическо отлагане на пари (CVD)[1], поставяйки основата на 3C-SiC тънкослойна технология.

90-те години на миналия век отбелязаха златен век за изследванията на SiC. Пускането на 6H-SiC и 4H-SiC чипове от Cree Research Inc. съответно през 1991 и 1994 г. даде тласък на комерсиализацията на SiC полупроводникови устройства. Този технологичен прогрес постави основите за последващи изследвания и приложения на 3C-SiC.

В началото на 21-ви век SiC филмите на базата на силиций също отбелязаха значителен напредък в Китай. Ye Zhizhen и др. произвежда SiC филми върху силициеви субстрати, използвайки CVD при ниски температури през 2002 г. [2], докато An Xia et al. постигна подобни резултати, използвайки магнетронно разпрашване при стайна температура през 2001 г.[3].

Въпреки това, голямото несъответствие на решетката между Si и SiC (приблизително 20%) доведе до висока плътност на дефектите в епитаксиалния слой 3C-SiC, особено двойно позициониращи граници (DPBs). За да смекчат това, изследователите избраха субстрати като 6H-SiC, 15R-SiC или 4H-SiC с (0001) ориентация за отглеждане на 3C-SiC епитаксиални слоеве, като по този начин намаляват плътността на дефектите. Например през 2012 г. Seki, Kazuaki et al. предложиха техника за контрол на кинетичен полиморфизъм, постигайки селективен растеж на 3C-SiC и 6H-SiC върху 6H-SiC(0001) семена чрез контролиране на свръхнасищането [4-5]. През 2023 г. Xun Li et al. успешно получи гладки 3C-SiC епитаксиални слоеве без DPB върху 4H-SiC субстрати, използвайки оптимизиран CVD растеж със скорост от 14 μm/h [6].

2. Кристална структура и приложения на 3C-SiC

Сред многобройните политипове SiC, 3C-SiC, известен също като β-SiC, е единственият кубичен политип. В тази кристална структура атомите Si и C съществуват в съотношение едно към едно, образувайки тетраедрична единична клетка със силни ковалентни връзки. Структурата се характеризира с двойни слоеве Si-C, подредени в последователност ABC-ABC-…, като всяка единична клетка съдържа три такива двойни слоя, обозначени с нотацията C3. Фигура 1 илюстрира кристалната структура на 3C-SiC.

                                                                                                                                                                           Фигура 1. Кристална структура на 3C-SiC

В момента силиций (Si) е най-широко използваният полупроводников материал за силови устройства. Въпреки това, присъщите му ограничения ограничават неговата ефективност. В сравнение с 4H-SiC и 6H-SiC, 3C-SiC притежава най-високата теоретична подвижност на електрони при стайна температура (1000 cm2·V-1·s-1), което го прави по-изгоден за MOSFET приложения. В допълнение, неговото високо напрежение на пробив, отлична топлопроводимост, висока твърдост, широк обхват, устойчивост на висока температура и устойчивост на радиация правят 3C-SiC много обещаващ за приложения в електрониката, оптоелектрониката, сензорите и екстремни среди:

Приложения с висока мощност, висока честота и висока температура: Високото напрежение на пробив на 3C-SiC и високата мобилност на електроните го правят идеален за производство на силови устройства като MOSFET, особено в среда с високи изисквания[7].

Наноелектроника и микроелектромеханични системи (MEMS): Съвместимостта му със силициевата технология позволява производството на наномащабни структури, позволяващи приложения в наноелектрониката и устройствата MEMS[8].

Оптоелектроника:Като широколентов полупроводников материал, 3C-SiC е подходящ за сини светодиоди (LED). Високата му светлинна ефективност и лекотата на допиране го правят привлекателен за приложения в осветлението, дисплейните технологии и лазерите[9].

Сензори:3C-SiC се използва в позиционно-чувствителни детектори, по-специално позиционно-чувствителни лазерни точкови детектори, базирани на страничния фотоволтаичен ефект. Тези детектори показват висока чувствителност при условия на нулево отклонение, което ги прави подходящи за приложения за прецизно позициониране[10].

3. Методи за получаване на 3C-SiC хетероепитаксия

Обичайните методи за 3C-SiC хетероепитаксия включват химическо отлагане на пари (CVD), сублимационна епитаксия (SE), течнофазова епитаксия (LPE), молекулярно-лъчева епитаксия (MBE) и магнетронно разпрашване. CVD е предпочитаният метод за 3C-SiC епитаксия поради неговата управляемост и адаптивност по отношение на температура, газов поток, налягане в камерата и време за реакция, което позволява оптимизиране на качеството на епитаксиалния слой.

Химично отлагане на пари (CVD):Газообразни съединения, съдържащи Si и C, се въвеждат в реакционна камера и се нагряват до високи температури, което води до тяхното разлагане. След това атомите Si и C се отлагат върху субстрат, обикновено Si, 6H-SiC, 15R-SiC или 4H-SiC [11]. Тази реакция обикновено протича между 1300-1500°C. Често срещаните източници на Si включват SiH4, TCS и MTS, докато източниците на C са предимно C2H4 и C3H8, с H2 като газ-носител. Фигура 2 изобразява схематично на CVD процеса[12].

                                                                                                                                                               Фигура 2. Схема на CVD процеса

Сублимационна епитаксия (SE):При този метод субстрат от 6H-SiC или 4H-SiC се поставя в горната част на тигел, като прахът от SiC с висока чистота е изходен материал на дъното. Тигелът се нагрява до 1900-2100°C чрез радиочестотна индукция, поддържайки температурата на субстрата по-ниска от температурата на източника, за да се създаде аксиален температурен градиент. Това позволява на сублимирания SiC да кондензира и кристализира върху субстрата, образувайки 3C-SiC хетероепитаксия.

Молекулярно-лъчева епитаксия (MBE):Тази усъвършенствана техника за растеж на тънък слой е подходяща за отглеждане на 3C-SiC епитаксиални слоеве върху 4H-SiC или 6H-SiC субстрати. При ултрависок вакуум, прецизният контрол на изходните газове позволява образуването на насочени атомни или молекулни лъчи от съставни елементи. Тези лъчи са насочени към нагрятата повърхност на субстрата за епитаксиален растеж.

4. Заключение и перспектива

С непрекъснатия технологичен напредък и задълбочени механични проучвания, 3C-SiC хетероепитаксия е готова да играе все по-важна роля в полупроводниковата индустрия, движейки развитието на енергийно ефективни електронни устройства. Изследването на нови техники за растеж, като въвеждане на HCl атмосфера за повишаване на темповете на растеж, като същевременно се поддържа ниска плътност на дефектите, е обещаващ път за бъдещи изследвания. По-нататъшното изследване на механизмите за образуване на дефекти и разработването на усъвършенствани техники за характеризиране ще позволят прецизен контрол на дефектите и оптимизирани свойства на материала. Бързият растеж на висококачествени, дебели 3C-SiC филми е от решаващо значение за посрещане на изискванията на устройствата с високо напрежение, което изисква допълнителни изследвания за справяне с баланса между скоростта на растеж и еднородността на материала. Чрез използване на приложенията на 3C-SiC в хетероструктури като SiC/GaN, потенциалът му в нови устройства като силова електроника, оптоелектронна интеграция и обработка на квантова информация може да бъде напълно проучен.

препратки:

[1] Nishino S, Hazuki Y, Matsunami H и др. Химическо отлагане на пари на единични кристални β-SiC филми върху силициев субстрат с разпръснат SiC междинен слой [J]. Journal of The Electrochemical Society, 1980, 127(12):2674-2680.

[2] Ye Zhizhen, Wang Yadong, Huang Jingyun, et al. Изследвания върху нискотемпературен растеж на тънки филми от силициев карбид [J]. .

[3] An Xia, Zhuang Huizhao, Li Huaixiang, et al. Подготовка на нано-SiC тънки филми чрез магнетронно разпрашаване върху (111) Si субстрат [J]. Journal of Shandong Normal University, 2001: 382-384 ..

[4] Seki K, Alexander, Kozawa S, et al. Политип-селективен растеж на SiC чрез контрол на свръхнасищането в растежа на разтвора [J]. Journal of Crystal Growth, 2012, 360:176-180.

[5] Chen Yao, Zhao Fuqiang, Zhu Bingxian, He Shuai Преглед на развитието на силициев карбид у дома и в чужбина [J]. 2020: 49-54.

[6] Li X, Wang G. CVD растеж на 3C-SiC слоеве върху 4H-SiC субстрати с подобрена морфология [J].Solid State Communications, 2023:371.

[7] Hou Kaiwen Изследване на Si шарена подложка и нейното приложение в растежа на 3C-SiC [D]. Xi'an University of Technology, 2018.

[8] Ларс, Хилър, Томас и др. Водородни ефекти при ECR-ецване на 3C-SiC(100) мезоструктури [J]. Научен форум за материали, 2014 г.

[9] Xu Qingfang Подготовка на 3C-SiC тънки филми чрез лазерно химическо отлагане на пари [D]. Технологичен университет в Ухан, 2016 г.

[10] Foisal ARM, Nguyen T, Dinh TK и др.3C-SiC/Si хетероструктура: Отлична платформа за позиционно-чувствителни детектори, базирани на фотоволтаичен ефект [J].ACS Applied Materials & Interfaces, 2019: 40980-40987.

[11] Xin Bin. 3C/4H-SiC хетероепитаксиален растеж на базата на CVD процес: характеризиране на дефектите и еволюция [D]. Xi'an University of Electronic Science and Technology.

[12] Донг Лин. Технология за епитаксиален растеж на много пластини и характеризиране на физическите свойства на силициевия карбид [D]. Университет на Китайската академия на науките, 2014 г.

[13] Diani M, Simon L, Kubler L и др. Кристален растеж на 3C-SiC политип върху 6H-SiC(0001) субстрат [J]. Journal of Crystal Growth, 2002, 235(1):95-102.