Heteroepitaxia 3C-SiC: Prehľad

1. Historický vývoj 3C-SiC

Vývoj 3C-SiC, významného polytypu karbidu kremíka, odráža neustály pokrok vedy o polovodičových materiáloch. V 80. rokoch Nishino a spol. prvýkrát dosiahol 4 μm hrubý 3C-SiC film na silikónovom substráte pomocou chemického naparovania (CVD)[1], čím sa položil základ pre technológiu tenkých vrstiev 3C-SiC.

Deväťdesiate roky minulého storočia znamenali zlatý vek výskumu SiC. Uvedenie čipov 6H-SiC a 4H-SiC spoločnosťou Cree Research Inc. v rokoch 1991 a 1994 podnietilo komercializáciu polovodičových zariadení SiC. Tento technologický pokrok položil základy pre následný výskum a aplikácie 3C-SiC.

Na začiatku 21. storočia zaznamenali v Číne výrazný pokrok aj filmy SiC na báze kremíka. Ye Zhizhen a kol. vyrobili SiC filmy na kremíkových substrátoch pomocou CVD pri nízkych teplotách v roku 2002[2], zatiaľ čo An Xia et al. dosiahli podobné výsledky použitím magnetrónového naprašovania pri izbovej teplote v roku 2001[3].

Veľký nesúlad mriežky medzi Si a SiC (približne 20 %) však viedol k vysokej hustote defektov v epitaxnej vrstve 3C-SiC, najmä dvojitým polohovým hraniciam (DPB). Na zmiernenie tohto sa výskumníci rozhodli pre substráty ako 6H-SiC, 15R-SiC alebo 4H-SiC s (0001) orientáciou na rast epitaxných vrstiev 3C-SiC, čím sa znížila hustota defektov. Napríklad v roku 2012 Seki, Kazuaki a kol. navrhli techniku ​​kontroly kinetického polymorfizmu, dosahujúc selektívny rast 3C-SiC a 6H-SiC na semenách 6H-SiC(0001) kontrolou presýtenia[4-5]. V roku 2023 Xun Li a spol. úspešne získali hladké 3C-SiC epitaxné vrstvy bez DPB na 4H-SiC substrátoch pomocou optimalizovaného CVD rastu s rýchlosťou 14 μm/h[6].

2. Kryštalická štruktúra a aplikácie 3C-SiC

Spomedzi mnohých polytypov SiC je 3C-SiC, tiež známy ako β-SiC, jediným kubickým polytypom. V tejto kryštálovej štruktúre existujú atómy Si a C v pomere jedna ku jednej, čím tvoria štvorstennú jednotkovú bunku so silnými kovalentnými väzbami. Štruktúra je charakterizovaná Si-C dvojvrstvami usporiadanými v sekvencii ABC-ABC-…, pričom každá bunka obsahuje tri takéto dvojvrstvy, označené C3 notáciou. Obrázok 1 znázorňuje kryštálovú štruktúru 3C-SiC.

                                                                                                                                                                           Obrázok 1. Kryštalická štruktúra 3C-SiC

V súčasnosti je kremík (Si) najpoužívanejším polovodičovým materiálom pre výkonové zariadenia. Jeho prirodzené obmedzenia však obmedzujú jeho výkon. V porovnaní s 4H-SiC a 6H-SiC má 3C-SiC najvyššiu teoretickú pohyblivosť elektrónov pri izbovej teplote (1000 cm2·V-1·s-1), čo ho robí výhodnejším pre aplikácie MOSFET. Navyše, jeho vysoké prierazné napätie, vynikajúca tepelná vodivosť, vysoká tvrdosť, široký bandgap, odolnosť voči vysokej teplote a odolnosť voči žiareniu robia 3C-SiC veľmi sľubným pre aplikácie v elektronike, optoelektronike, senzoroch a extrémnych prostrediach:

Vysokovýkonné, vysokofrekvenčné a vysokoteplotné aplikácie: Vysoké prierazné napätie 3C-SiC a vysoká mobilita elektrónov ho predurčujú na výrobu výkonových zariadení, ako sú MOSFET, najmä v náročných prostrediach[7].

Nanoelektronika a mikroelektromechanické systémy (MEMS): Jeho kompatibilita s kremíkovou technológiou umožňuje výrobu štruktúr nanometrov, čo umožňuje aplikácie v nanoelektronike a zariadeniach MEMS[8].

Optoelektronika:Ako polovodičový materiál so širokým pásmom je 3C-SiC vhodný pre diódy vyžarujúce modré svetlo (LED). Jeho vysoká svetelná účinnosť a ľahké dopovanie ho robia atraktívnym pre aplikácie v oblasti osvetlenia, zobrazovacích technológií a laserov[9].

Senzory:3C-SiC sa používa v polohovo citlivých detektoroch, najmä laserových bodových polohovo citlivých detektoroch založených na laterálnom fotovoltaickom efekte. Tieto detektory vykazujú vysokú citlivosť v podmienkach nulovej odchýlky, vďaka čomu sú vhodné pre aplikácie s precíznym polohovaním[10].

3. Spôsoby prípravy pre 3C-SiC heteroepitaxiu

Bežné metódy pre 3C-SiC heteroepitaxiu zahŕňajú chemickú depozíciu z pár (CVD), sublimačnú epitaxiu (SE), epitaxiu v kvapalnej fáze (LPE), epitaxiu molekulárnym lúčom (MBE) a magnetrónové naprašovanie. CVD je preferovaná metóda pre 3C-SiC epitaxiu kvôli jej ovládateľnosti a prispôsobivosti z hľadiska teploty, prietoku plynu, tlaku v komore a reakčného času, čo umožňuje optimalizáciu kvality epitaxnej vrstvy.

Chemická depozícia z pár (CVD):Plynné zlúčeniny obsahujúce Si a C sa zavádzajú do reakčnej komory a zahrievajú na vysoké teploty, čo vedie k ich rozkladu. Atómy Si a C sa potom uložia na substrát, typicky Si, 6H-SiC, 15R-SiC alebo 4H-SiC [11]. Táto reakcia typicky prebieha pri teplote 1300 až 1500 °C. Bežné zdroje Si zahŕňajú SiH4, TCS a MTS, zatiaľ čo zdroje C sú primárne C2H4 a C3H8, s H2 ako nosným plynom. Obrázok 2 znázorňuje schému procesu CVD[12].

                                                                                                                                                               Obrázok 2. Schéma procesu CVD

Sublimačná epitaxia (SE):Pri tejto metóde sa substrát 6H-SiC alebo 4H-SiC umiestni na vrch téglika a vysoko čistý SiC prášok ako zdrojový materiál na spodok. Téglik sa zahreje na 1900-2100 °C pomocou rádiofrekvenčnej indukcie, pričom sa teplota substrátu udržiava nižšia ako teplota zdroja, aby sa vytvoril axiálny teplotný gradient. To umožňuje sublimovanému SiC kondenzovať a kryštalizovať na substráte, čím sa vytvorí 3C-SiC heteroepitaxia.

Epitaxia molekulárneho lúča (MBE):Táto pokročilá technika rastu tenkých vrstiev je vhodná na pestovanie epitaxných vrstiev 3C-SiC na substrátoch 4H-SiC alebo 6H-SiC. V ultravysokom vákuu umožňuje presné riadenie zdrojových plynov vytváranie smerových atómových alebo molekulárnych lúčov základných prvkov. Tieto lúče sú nasmerované na zahriaty povrch substrátu pre epitaxiálny rast.

4. Záver a výhľad

S neustálym technologickým pokrokom a hĺbkovými mechanistickými štúdiami je heteroepitaxia 3C-SiC pripravená hrať čoraz dôležitejšiu úlohu v polovodičovom priemysle, čo poháňa vývoj energeticky účinných elektronických zariadení. Skúmanie nových techník rastu, ako je zavedenie atmosfér HCl na zvýšenie rýchlosti rastu pri zachovaní nízkej hustoty defektov, je sľubnou cestou pre budúci výskum. Ďalšie skúmanie mechanizmov tvorby defektov a vývoj pokročilých charakterizačných techník umožní presnú kontrolu defektov a optimalizované vlastnosti materiálu. Rýchly rast vysokokvalitných, hrubých 3C-SiC filmov je rozhodujúci pre splnenie požiadaviek vysokonapäťových zariadení, čo si vyžaduje ďalší výskum na riešenie rovnováhy medzi rýchlosťou rastu a uniformitou materiálu. Využitím aplikácií 3C-SiC v heteroštruktúrach, ako je SiC/GaN, možno plne preskúmať jeho potenciál v nových zariadeniach, ako je výkonová elektronika, optoelektronická integrácia a spracovanie kvantových informácií.

Referencie:

[1] Nishino S, Hazuki Y, Matsunami H a kol. Chemická depozícia monokryštalických β-SiC vrstiev na kremíkový substrát s naprašovanou medzivrstvou SiC[J]. Časopis The Electrochemical Society, 1980, 127(12):2674-2680.

[2] Ye Zhizhen, Wang Yadong, Huang Jingyun a kol. Výskum nízkoteplotného rastu tenkých vrstiev karbidu kremíka [J] Journal of Vacuum Science and Technology, 2002, 022(001):58-60. .

[3] An Xia, Zhuang Huizhao, Li Huaixiang, a kol ..

[4] Seki K, Alexander, Kozawa S, a kol. Polytypovo selektívny rast SiC kontrolou presýtenia pri raste roztoku[J]. Journal of Crystal Growth, 2012, 360:176-180.

[5] Chen Yao, Zhao Fuqiang, Zhu Bingxian, He Shuai Prehľad vývoja výkonových zariadení z karbidu kremíka doma a v zahraničí [J].

[6] Li X, Wang G. CVD rast vrstiev 3C-SiC na substrátoch 4H-SiC so zlepšenou morfológiou[J]. Solid State Communications, 2023:371.

[7] Hou Kaiwen Výskum substrátu so vzorom Si a jeho aplikácie pri raste 3C-SiC [D], 2018.

[8]Lars, Hiller, Thomas a kol. Vodíkové efekty v ECR-leptanie 3C-SiC(100) Mesa Structures[J].Materials Science Forum, 2014.

[9] Xu Qingfang Príprava tenkých vrstiev 3C-SiC laserovým chemickým nanášaním pár [D].

[10] Foisal AR M, Nguyen T, Dinh TK a kol. 3C-SiC/Si Heterostruktura: Vynikajúca platforma pre detektory citlivé na polohu založené na fotovoltaickom efekte[J]. Aplikované materiály a rozhrania ACS, 2019: 409870-409

[11] Xin Bin 3C/4H-SiC heteroepitaxiálny rast založený na procese CVD: charakterizácia defektov a vývoj [D].

[12] Technológia veľkoplošného epitaxného rastu a fyzikálnych vlastností karbidu kremíka [D], Univerzita Čínskej akadémie vied, 2014.

[13] Diani M., Simon L., Kubler L. a kol. Rast kryštálov polytypu 3C-SiC na substráte 6H-SiC(0001)[J]. Journal of Crystal Growth, 2002, 235 (1): 95-102.