Heteroepitaxia 3C-SiC: o prezentare generală

1. Dezvoltarea istorică a 3C-SiC

Dezvoltarea 3C-SiC, un politip semnificativ de carbură de siliciu, reflectă progresul continuu al științei materialelor semiconductoare. În anii 1980, Nishino et al. a obținut mai întâi o peliculă de 3C-SiC cu grosimea de 4 μm pe un substrat de siliciu utilizând depunerea chimică în vapori (CVD)[1], punând bazele tehnologiei de film subțire 3C-SiC.

Anii 1990 au marcat o epocă de aur pentru cercetarea SiC. Lansarea de către Cree Research Inc. a cipurilor 6H-SiC și 4H-SiC în 1991 și, respectiv, 1994, a propulsat comercializarea dispozitivelor semiconductoare SiC. Acest progres tehnologic a pus bazele cercetărilor și aplicațiilor ulterioare ale 3C-SiC.

La începutul secolului 21, filmele SiC pe bază de siliciu au înregistrat progrese semnificative și în China. Ye Zhizhen și colab. a fabricat filme de SiC pe substraturi de siliciu folosind CVD la temperaturi scăzute în 2002[2], în timp ce An Xia și colab. a obținut rezultate similare utilizând pulverizarea cu magnetron la temperatura camerei în 2001[3].

Cu toate acestea, nepotrivirea mare a rețelei dintre Si și SiC (aproximativ 20%) a condus la o densitate mare a defectelor în stratul epitaxial 3C-SiC, în special limitele de poziționare duble (DPB). Pentru a atenua acest lucru, cercetătorii au optat pentru substraturi precum 6H-SiC, 15R-SiC sau 4H-SiC cu o orientare (0001) pentru creșterea straturilor epitaxiale 3C-SiC, reducând astfel densitatea defectelor. De exemplu, în 2012, Seki, Kazuaki et al. a propus o tehnică de control al polimorfismului cinetic, realizând creșterea selectivă a 3C-SiC și 6H-SiC pe semințele 6H-SiC(0001) prin controlul suprasaturației[4-5]. În 2023, Xun Li și colab. a obținut cu succes straturi epitaxiale netede 3C-SiC fără DPB pe substraturi 4H-SiC utilizând creșterea CVD optimizată cu o rată de 14 μm/h [6].

2. Structura cristalină și aplicațiile 3C-SiC

Dintre numeroasele politipuri de SiC, 3C-SiC, cunoscut și sub numele de β-SiC, este singurul politip cubic. În această structură cristalină, atomii de Si și C există într-un raport unu-la-unu, formând o celulă unitară tetraedrică cu legături covalente puternice. Structura este caracterizată de bistraturi Si-C aranjate într-o secvență ABC-ABC-..., fiecare celulă unitară conținând trei astfel de straturi duble, notate cu notația C3. Figura 1 ilustrează structura cristalină a 3C-SiC.

                                                                                                                                                                           Figura 1. Structura cristalină a 3C-SiC

În prezent, siliciul (Si) este cel mai utilizat material semiconductor pentru dispozitivele de putere. Cu toate acestea, limitările sale inerente îi limitează performanța. În comparație cu 4H-SiC și 6H-SiC, 3C-SiC posedă cea mai mare mobilitate teoretică a electronilor la temperatura camerei (1000 cm2·V-1·s-1), făcându-l mai avantajos pentru aplicațiile MOSFET. În plus, tensiunea ridicată de rupere, conductibilitatea termică excelentă, duritatea mare, banda interzisă largă, rezistența la temperatură ridicată și rezistența la radiații fac ca 3C-SiC să fie foarte promițător pentru aplicații în electronică, optoelectronică, senzori și medii extreme:

Aplicații de înaltă putere, de înaltă frecvență și de temperatură înaltă: Tensiunea ridicată de rupere a 3C-SiC și mobilitatea mare a electronilor îl fac ideal pentru fabricarea dispozitivelor de putere precum MOSFET-urile, în special în medii solicitante[7].

Nanoelectronică și sisteme microelectromecanice (MEMS): Compatibilitatea sa cu tehnologia cu siliciu permite fabricarea de structuri la scară nanometrică, permițând aplicații în nanoelectronică și dispozitive MEMS[8].

Optoelectronica:Ca material semiconductor cu bandă interzisă largă, 3C-SiC este potrivit pentru diodele emițătoare de lumină albastră (LED-uri). Eficiența sa luminoasă ridicată și ușurința de dopaj îl fac atractiv pentru aplicații în iluminat, tehnologii de afișare și lasere[9].

Senzori:3C-SiC este folosit în detectoarele sensibile la poziție, în special în detectoarele cu laser sensibile la poziție bazate pe efectul fotovoltaic lateral. Acești detectoare prezintă o sensibilitate ridicată în condiții de polarizare zero, făcându-le potrivite pentru aplicații de poziționare de precizie[10].

3. Metode de preparare pentru heteroepitaxia 3C-SiC

Metodele comune pentru heteroepitaxia 3C-SiC includ depunerea chimică în vapori (CVD), epitaxia sublimării (SE), epitaxia în fază lichidă (LPE), epitaxia cu fascicul molecular (MBE) și pulverizarea magnetronului. CVD este metoda preferată pentru epitaxia 3C-SiC datorită controlabilității și adaptabilității sale în termeni de temperatură, debit de gaz, presiune în cameră și timp de reacție, permițând optimizarea calității stratului epitaxial.

Depunerea chimică în vapori (CVD):Compușii gazoși care conțin Si și C sunt introduși într-o cameră de reacție și încălziți la temperaturi ridicate, ducând la descompunerea lor. Atomii de Si și C se depun apoi pe un substrat, de obicei Si, 6H-SiC, 15R-SiC sau 4H-SiC [11]. Această reacție are loc de obicei între 1300-1500°C. Sursele comune de Si includ SiH4, TCS și MTS, în timp ce sursele de C sunt în principal C2H4 și C3H8, cu H2 ca gaz purtător. Figura 2 prezintă o schemă a procesului CVD[12].

                                                                                                                                                               Figura 2. Schema procesului CVD

Epitaxie prin sublimare (SE):În această metodă, un substrat 6H-SiC sau 4H-SiC este plasat în partea de sus a creuzetului, cu pulbere de SiC de înaltă puritate ca material sursă în partea de jos. Crezetul este încălzit la 1900-2100°C prin inducție de radiofrecvență, menținând temperatura substratului mai mică decât temperatura sursei pentru a crea un gradient de temperatură axial. Acest lucru permite SiC sublimat să se condenseze și să cristalizeze pe substrat, formând heteroepitaxia 3C-SiC.

Epitaxia fasciculului molecular (MBE):Această tehnică avansată de creștere a filmului subțire este potrivită pentru creșterea straturilor epitaxiale 3C-SiC pe substraturi 4H-SiC sau 6H-SiC. Sub vid ultra-înalt, controlul precis al gazelor sursă permite formarea de fascicule atomice sau moleculare direcționale ale elementelor constitutive. Aceste fascicule sunt îndreptate către suprafața substratului încălzit pentru creșterea epitaxială.

4. Concluzie și perspective

Cu progrese tehnologice continue și studii mecanice aprofundate, heteroepitaxia 3C-SiC este gata să joace un rol din ce în ce mai vital în industria semiconductoarelor, conducând dezvoltarea dispozitivelor electronice eficiente din punct de vedere energetic. Explorarea unor noi tehnici de creștere, cum ar fi introducerea de atmosfere cu HCI pentru a spori ratele de creștere, menținând în același timp densități scăzute de defect, este o cale promițătoare pentru cercetările viitoare. Investigarea ulterioară a mecanismelor de formare a defectelor și dezvoltarea tehnicilor avansate de caracterizare vor permite controlul precis al defectelor și proprietățile optimizate ale materialului. Creșterea rapidă a peliculelor groase 3C-SiC de înaltă calitate este crucială pentru satisfacerea cerințelor dispozitivelor de înaltă tensiune, necesitând cercetări suplimentare pentru a aborda echilibrul dintre rata de creștere și uniformitatea materialului. Prin valorificarea aplicațiilor 3C-SiC în heterostructuri precum SiC/GaN, potențialul său în dispozitive noi, cum ar fi electronica de putere, integrarea optoelectronică și procesarea informațiilor cuantice poate fi explorat pe deplin.

Referinte:

[1] Nishino S , Hazuki Y , Matsunami H ,et al. Depunerea chimică în vapori a filmelor β-SiC cristaline unice pe substrat de siliciu cu strat intermediar de SiC pulverizat [J]. Journal of The Electrochemical Society, 1980, 127(12):2674-2680.

[2] Ye Zhizhen, Wang Yadong, Huang Jingyun, și colab. Cercetări privind creșterea la temperatură scăzută a filmelor subțiri de carbură de siliciu [J Journal of Vacuum Science and Technology, 2002, 022(001):58-60]. .

[3] An Xia, Zhuang Huizhao, Li Huaixiang, și colab. Prepararea filmelor subțiri nano-SiC prin pulverizare cu magnetron pe (111) substrat Si [J Journal of Shandong Normal University: Natural Science Edition, 2001: 384]. ..

[4] Seki K, Alexander, Kozawa S, et al. Creșterea politip-selectivă a SiC prin controlul suprasaturației în creșterea soluției[J]. Journal of Crystal Growth, 2012, 360:176-180.

[5] Chen Yao, Zhao Fuqiang, Zhu Bingxian, He Shuai.

[6] Li X , Wang G .CVD creștere a straturilor 3C-SiC pe substraturi 4H-SiC cu morfologie îmbunătățită[J].Solid State Communications, 2023:371.

[7] Cercetare Hou Kaiwen asupra substratului cu model Si și aplicarea acestuia în creșterea 3C-SiC [D Xi'an University of Technology, 2018].

[8]Lars, Hiller, Thomas și colab. Efectele hidrogenului în ECR-Etching of 3C-SiC(100) Mesa Structures[J].Materials Science Forum, 2014.

[9] Xu Qingfang Pregătirea filmelor subțiri 3C-SiC prin depunere de vapori chimici cu laser [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] Creșterea heteroepitaxială Xin Bin 3C/4H-SiC bazată pe procesul CVD: caracterizarea și evoluția defectelor [D].

[12] Dong Lin Tehnologia de creștere epitaxială cu mai multe plachete și caracterizarea proprietăților fizice a carburii de siliciu [D], 2014.

[13] Diani M , Simon L , Kubler L ,et al. Creșterea cristalină a politipului 3C-SiC pe substrat 6H-SiC(0001) [J]. Journal of Crystal Growth, 2002, 235(1):95-102.