Heteroepitaxy of 3C-SiC: En oversigt

1. Historisk udvikling af 3C-SiC

Udviklingen af ​​3C-SiC, en væsentlig polytype af siliciumcarbid, afspejler den kontinuerlige udvikling af halvledermaterialevidenskab. I 1980'erne, Nishino et al. opnåede først en 4 μm tyk 3C-SiC-film på et siliciumsubstrat ved hjælp af kemisk dampaflejring (CVD)[1], hvilket lagde grundlaget for 3C-SiC-tyndfilmsteknologi.

1990'erne markerede en guldalder for SiC-forskning. Cree Research Inc.'s lancering af 6H-SiC- og 4H-SiC-chips i henholdsvis 1991 og 1994 satte gang i kommercialiseringen af ​​SiC-halvlederenheder. Dette teknologiske fremskridt lagde grundlaget for efterfølgende forskning og anvendelser af 3C-SiC.

I begyndelsen af ​​det 21. århundrede oplevede siliciumbaserede SiC-film også betydelige fremskridt i Kina. Ye Zhizhen et al. fremstillede SiC-film på siliciumsubstrater ved hjælp af CVD ved lave temperaturer i 2002[2], mens An Xia et al. opnåede lignende resultater ved hjælp af magnetronforstøvning ved stuetemperatur i 2001[3].

Imidlertid førte det store gittermisforhold mellem Si og SiC (ca. 20%) til en høj defekttæthed i 3C-SiC epitaksiallaget, især dobbeltpositioneringsgrænser (DPB'er). For at afbøde dette valgte forskerne substrater som 6H-SiC, 15R-SiC eller 4H-SiC med en (0001) orientering til dyrkning af 3C-SiC epitaksiale lag, hvorved defektdensiteten reduceres. For eksempel, i 2012, Seki, Kazuaki et al. foreslået en kinetisk polymorfi kontrolteknik, der opnår selektiv vækst af 3C-SiC og 6H-SiC på 6H-SiC(0001) frø ved at kontrollere overmætning[4-5]. I 2023, Xun Li et al. med succes opnået glatte 3C-SiC-epitaksiale lag fri for DPB'er på 4H-SiC-substrater ved hjælp af optimeret CVD-vækst med en hastighed på 14 μm/h[6].

2. Krystalstruktur og anvendelser af 3C-SiC

Blandt de talrige SiC-polytyper er 3C-SiC, også kendt som β-SiC, den eneste kubiske polytype. I denne krystalstruktur eksisterer Si- og C-atomer i et en-til-en-forhold, der danner en tetraedrisk enhedscelle med stærke kovalente bindinger. Strukturen er karakteriseret ved Si-C-dobbeltlag arrangeret i en ABC-ABC-…-sekvens, hvor hver enhedscelle indeholder tre sådanne dobbeltlag, angivet med C3-notationen. Figur 1 illustrerer krystalstrukturen af ​​3C-SiC.

                                                                                                                                                                           Figur 1. Krystalstruktur af 3C-SiC

I øjeblikket er silicium (Si) det mest udbredte halvledermateriale til strømforsyninger. Dens iboende begrænsninger begrænser imidlertid dens ydeevne. Sammenlignet med 4H-SiC og 6H-SiC besidder 3C-SiC den højeste teoretiske elektronmobilitet ved stuetemperatur (1000 cm2·V-1·s-1), hvilket gør det mere fordelagtigt til MOSFET-applikationer. Derudover gør dens høje gennembrudsspænding, fremragende varmeledningsevne, høje hårdhed, brede båndgab, højtemperaturmodstand og strålingsmodstand 3C-SiC meget lovende til applikationer inden for elektronik, optoelektronik, sensorer og ekstreme miljøer:

Anvendelser med høj effekt, høj frekvens og høj temperatur: 3C-SiCs høje gennembrudsspænding og høje elektronmobilitet gør den ideel til fremstilling af strømenheder som MOSFET'er, især i krævende miljøer[7].

Nanoelektronik og mikroelektromekaniske systemer (MEMS): Dens kompatibilitet med siliciumteknologi muliggør fremstilling af strukturer i nanoskala, hvilket muliggør applikationer i nanoelektronik og MEMS-enheder[8].

Optoelektronik:Som et halvledermateriale med bred båndgab er 3C-SiC velegnet til blå lysemitterende dioder (LED'er). Dens høje lyseffektivitet og lette doping gør den attraktiv til applikationer inden for belysning, displayteknologier og lasere[9].

Sensorer:3C-SiC anvendes i positionsfølsomme detektorer, især laserspot positionsfølsomme detektorer baseret på den laterale fotovoltaiske effekt. Disse detektorer udviser høj følsomhed under nul bias-forhold, hvilket gør dem velegnede til præcisionspositioneringsapplikationer[10].

3. Fremstillingsmetoder til 3C-SiC Heteroepitaxy

Almindelige metoder til 3C-SiC heteroepitaxi omfatter kemisk dampaflejring (CVD), sublimationsepitaksi (SE), væskefaseepitaksi (LPE), molekylær stråleepitaksi (MBE) og magnetronforstøvning. CVD er den foretrukne metode til 3C-SiC-epitaksi på grund af dens kontrollerbarhed og tilpasningsevne med hensyn til temperatur, gasflow, kammertryk og reaktionstid, hvilket muliggør optimering af det epitaksiale lagkvalitet.

Kemisk dampaflejring (CVD):Gasformige forbindelser indeholdende Si og C indføres i et reaktionskammer og opvarmes til høje temperaturer, hvilket fører til deres nedbrydning. Si- og C-atomerne aflejres derefter på et substrat, typisk Si, 6H-SiC, 15R-SiC eller 4H-SiC [11]. Denne reaktion sker typisk mellem 1300-1500°C. Almindelige Si-kilder omfatter SiH4, TCS og MTS, mens C-kilder primært er C2H4 og C3H8, med H2 som bæregassen. Figur 2 viser et skematisk billede af CVD-processen[12].

                                                                                                                                                               Figur 2. Skematisk over CVD-processen

Sublimationsepitaxi (SE):I denne metode placeres et 6H-SiC- eller 4H-SiC-substrat i toppen af ​​en digel med højrent SiC-pulver som kildemateriale i bunden. Digelen opvarmes til 1900-2100°C via radiofrekvensinduktion, hvilket holder substrattemperaturen lavere end kildetemperaturen for at skabe en aksial temperaturgradient. Dette gør det muligt for sublimeret SiC at kondensere og krystallisere på substratet, hvilket danner 3C-SiC heteroepitaxien.

Molecular Beam Epitaxy (MBE):Denne avancerede tyndfilmsvækstteknik er velegnet til dyrkning af 3C-SiC-epitaksiale lag på 4H-SiC- eller 6H-SiC-substrater. Under ultrahøjt vakuum muliggør præcis kontrol af kildegasser dannelsen af ​​retningsbestemte atom- eller molekylære stråler af bestanddele. Disse stråler er rettet mod den opvarmede substratoverflade for epitaksial vækst.

4. Konklusion og Outlook

Med kontinuerlige teknologiske fremskridt og dybdegående mekanistiske undersøgelser er 3C-SiC heteroepitaxy klar til at spille en stadig vigtigere rolle i halvlederindustrien, hvilket driver udviklingen af ​​energieffektive elektroniske enheder. Udforskning af nye vækstteknikker, såsom at introducere HCl-atmosfærer for at øge vækstraterne og samtidig opretholde lave defekttætheder, er en lovende vej for fremtidig forskning. Yderligere undersøgelse af defektdannelsesmekanismer og udvikling af avancerede karakteriseringsteknikker vil muliggøre præcis defektkontrol og optimerede materialeegenskaber. Hurtig vækst af tykke 3C-SiC-film af høj kvalitet er afgørende for at opfylde kravene til højspændingsenheder, hvilket kræver yderligere forskning for at adressere balancen mellem væksthastighed og materialeensartethed. Ved at udnytte anvendelserne af 3C-SiC i heterostrukturer som SiC/GaN, kan dets potentiale i nye enheder såsom kraftelektronik, optoelektronisk integration og kvanteinformationsbehandling udforskes fuldt ud.

Referencer:

[1] Nishino S, Hazuki Y, Matsunami H, et al. Kemisk dampaflejring af enkeltkrystallinske β-SiC-film på siliciumsubstrat med sputteret SiC-mellemlag[J]. Journal of The Electrochemical Society, 1980, 127(12):2674-2680.

[2] Ye Zhizhen, Wang Yadong, Huang Jingyun, et al. Forskning i lavtemperaturvækst af tynde siliciumcarbidfilm [J] Journal of Vacuum Science and Technology, 2002, 022(001):58-60. .

[3] An Xia, Zhuang Huizhao, Li Huaixiang, et al. Fremstilling af nano-SiC tynde film ved magnetronforstøvning på (111) Si-substrat [J] Journal of Shandong Normal University: Natural Science Edition, 2001: 382-384 ..

[4] Seki K, Alexander, Kozawa S, et al. Polytype-selektiv vækst af SiC ved overmætningskontrol i opløsningsvækst[J]. Journal of Crystal Growth, 2012, 360:176-180.

[5] Chen Yao, Zhao Fuqiang, Zhu Bingxian, He Shuai Oversigt over udviklingen af ​​siliciumkarbidkraftenheder i ind- og udland [J] Vehicle and Power Technology, 2020: 49-54.

[6] Li X, Wang G. CVD vækst af 3C-SiC lag på 4H-SiC substrater med forbedret morfologi[J].Solid State Communications, 2023:371.

[7] Hou Kaiwen Forskning om Si-mønstret substrat og dets anvendelse i 3C-SiC-vækst [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 Forberedelse af 3C-SiC tynde film ved laserkemisk dampaflejring [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 heteroepitaxial vækst baseret på CVD-proces: defektkarakterisering og evolution [D] Xi'an University of Electronic Science and Technology.

[12] Dong Lin Epitaksial vækstteknologi med stort område og fysisk egenskabskarakterisering af siliciumcarbid [D] University of Chinese Academy of Sciences, 2014.

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