Гетероэпитаксия 3C-SiC: обзор

1. Историческое развитие 3C-SiC.

Развитие 3C-SiC, важного политипа карбида кремния, отражает постоянное развитие науки о полупроводниковых материалах. В 1980-х годах Нишино и др. впервые получила пленку 3C-SiC толщиной 4 мкм на кремниевой подложке с помощью химического осаждения из паровой фазы (CVD) [1], заложив основу для технологии тонких пленок 3C-SiC.

1990-е годы стали золотым веком исследований SiC. Выпуск чипов 6H-SiC и 4H-SiC компанией Cree Research Inc. в 1991 и 1994 годах соответственно способствовал коммерциализации полупроводниковых приборов SiC. Этот технологический прогресс заложил основу для последующих исследований и применений 3C-SiC.

В начале 21 века пленки SiC на основе кремния также достигли значительного прогресса в Китае. Е Чжижен и др. изготовили пленки SiC на кремниевых подложках с помощью CVD при низких температурах в 2002 году [2], а An Xia et al. добились аналогичных результатов с помощью магнетронного распыления при комнатной температуре в 2001 году [3].

Однако большое несоответствие решеток между Si и SiC (около 20%) привело к высокой плотности дефектов в эпитаксиальном слое 3C-SiC, особенно на границах двойного позиционирования (DPB). Чтобы смягчить это, исследователи выбрали такие подложки, как 6H-SiC, 15R-SiC или 4H-SiC с ориентацией (0001), для выращивания эпитаксиальных слоев 3C-SiC, тем самым уменьшая плотность дефектов. Например, в 2012 году Секи, Казуаки и др. предложил метод контроля кинетического полиморфизма, достигая селективного роста 3C-SiC и 6H-SiC на затравках 6H-SiC(0001) путем контроля пересыщения [4-5]. В 2023 году Сюнь Ли и др. успешно получили гладкие эпитаксиальные слои 3C-SiC без DPB на подложках 4H-SiC с использованием оптимизированного CVD-роста со скоростью 14 мкм/ч [6].

2. Кристаллическая структура и применение 3C-SiC.

Среди многочисленных политипов SiC 3C-SiC, также известный как β-SiC, является единственным кубическим политипом. В этой кристаллической структуре атомы Si и C существуют в соотношении один к одному, образуя тетраэдрическую элементарную ячейку с сильными ковалентными связями. Структура характеризуется бислоями Si-C, расположенными в последовательности ABC-ABC-…, причем каждая элементарная ячейка содержит три таких бислоя, обозначенных обозначением C3. Рисунок 1 иллюстрирует кристаллическую структуру 3C-SiC.

                                                                                                                                                                           Рисунок 1. Кристаллическая структура 3C-SiC.

В настоящее время кремний (Si) является наиболее широко используемым полупроводниковым материалом для силовых устройств. Однако присущие ему ограничения ограничивают его производительность. По сравнению с 4H-SiC и 6H-SiC, 3C-SiC обладает самой высокой теоретической подвижностью электронов при комнатной температуре (1000 см2·В-1·с-1), что делает его более выгодным для применения в МОП-транзисторах. Кроме того, его высокое напряжение пробоя, отличная теплопроводность, высокая твердость, широкая запрещенная зона, устойчивость к высоким температурам и радиационная стойкость делают 3C-SiC весьма перспективным для применения в электронике, оптоэлектронике, датчиках и экстремальных условиях:

Применение при высокой мощности, частоте и высоких температурах. Высокое напряжение пробоя 3C-SiC и высокая подвижность электронов делают его идеальным для производства силовых устройств, таких как МОП-транзисторы, особенно в сложных условиях[7].

Наноэлектроника и микроэлектромеханические системы (МЭМС): Его совместимость с кремниевой технологией позволяет изготавливать наноразмерные структуры, что позволяет применять их в наноэлектронике и устройствах MEMS[8].

Оптоэлектроника:Как полупроводниковый материал с широкой запрещенной зоной 3C-SiC подходит для изготовления синих светодиодов (СИД). Его высокая светоотдача и простота легирования делают его привлекательным для применения в освещении, технологиях отображения и лазерах [9].

Датчики:3C-SiC используется в позиционно-чувствительных детекторах, в частности в позиционно-чувствительных детекторах лазерного пятна, основанных на боковом фотоэлектрическом эффекте. Эти детекторы обладают высокой чувствительностью в условиях нулевого смещения, что делает их пригодными для приложений точного позиционирования [10].

3. Методы подготовки для гетероэпитаксии 3C-SiC.

Общие методы гетероэпитаксии 3C-SiC включают химическое осаждение из паровой фазы (CVD), сублимационную эпитаксию (SE), жидкофазную эпитаксию (LPE), молекулярно-лучевую эпитаксию (MBE) и магнетронное распыление. CVD является предпочтительным методом эпитаксии 3C-SiC из-за его управляемости и адаптируемости с точки зрения температуры, расхода газа, давления в камере и времени реакции, что позволяет оптимизировать качество эпитаксиального слоя.

Химическое осаждение из паровой фазы (CVD):Газообразные соединения, содержащие Si и C, вводятся в реакционную камеру и нагреваются до высоких температур, что приводит к их разложению. Атомы Si и C затем осаждаются на подложку, обычно Si, 6H-SiC, 15R-SiC или 4H-SiC [11]. Эта реакция обычно происходит при температуре 1300-1500°C. Обычные источники Si включают SiH4, TCS и MTS, тогда как источниками C являются в основном C2H4 и C3H8 с H2 в качестве газа-носителя. На рисунке 2 изображена схема процесса CVD[12].

                                                                                                                                                               Рисунок 2. Схема процесса CVD

Сублимационная эпитаксия (СЭ):В этом методе подложка 6H-SiC или 4H-SiC помещается в верхнюю часть тигля, а порошок SiC высокой чистоты в качестве исходного материала - в нижнюю часть. Тигель нагревается до 1900-2100°C с помощью радиочастотной индукции, поддерживая температуру подложки ниже температуры источника, чтобы создать осевой температурный градиент. Это позволяет сублимированному SiC конденсироваться и кристаллизоваться на подложке, образуя гетероэпитаксию 3C-SiC.

Молекулярно-лучевая эпитаксия (МЛЭ):Этот передовой метод выращивания тонких пленок подходит для выращивания эпитаксиальных слоев 3C-SiC на подложках 4H-SiC или 6H-SiC. В сверхвысоком вакууме точный контроль исходных газов позволяет формировать направленные атомные или молекулярные пучки составляющих элементов. Эти лучи направляются на нагретую поверхность подложки для эпитаксиального роста.

4. Заключение и перспективы

Благодаря постоянному технологическому прогрессу и углубленным механическим исследованиям гетероэпитаксия 3C-SiC может играть все более важную роль в полупроводниковой промышленности, стимулируя разработку энергоэффективных электронных устройств. Изучение новых методов роста, таких как введение атмосферы HCl для повышения скорости роста при сохранении низкой плотности дефектов, является многообещающим направлением для будущих исследований. Дальнейшие исследования механизмов образования дефектов и разработка передовых методов определения характеристик позволят точно контролировать дефекты и оптимизировать свойства материалов. Быстрый рост высококачественных толстых пленок 3C-SiC имеет решающее значение для удовлетворения потребностей высоковольтных устройств, требуя дальнейших исследований для поиска баланса между скоростью роста и однородностью материала. Используя применение 3C-SiC в гетероструктурах, таких как SiC/GaN, можно полностью изучить его потенциал в новых устройствах, таких как силовая электроника, оптоэлектронная интеграция и квантовая обработка информации.

Ссылки:

[1] Нишино С., Хадзуки Ю., Мацунами Х. и др. Химическое осаждение из паровой фазы монокристаллических пленок β-SiC на кремниевой подложке с напыленным промежуточным слоем SiC [J]. Журнал Электрохимического общества, 1980, 127(12):2674-2680.

[2] Е Чжичжэнь, Ван Ядун, Хуан Цзинъюнь и др. Исследование низкотемпературного выращивания тонких пленок карбида кремния на основе кремния [J Journal of Vacuum Science and Technology, 2002, 022(001):58-60. .

[3] Ань Ся, Чжуан Хуйчжао, Ли Хуайсян и др. Получение тонких пленок нано-SiC методом магнетронного распыления на подложку Si (111) [J Journal of Shandong Normal University: Natural Science Edition, 2001: 382-384]. ..

[4] Секи К., Александр, Козава С. и др. Политипно-селективный рост SiC путем контроля пересыщения при выращивании в растворе [J]. Журнал Crystal Growth, 2012, 360:176-180.

[5] Чэнь Яо, Чжао Фуцян, Чжу Бинсян, Хэ Шуай Обзор развития силовых устройств из карбида кремния в стране и за рубежом [J].

[6] Ли X, Ван Г. CVD-выращивание слоев 3C-SiC на подложках 4H-SiC с улучшенной морфологией [J].Solid State Communications, 2023:371.

[7] Хоу Кайвэнь. Исследование подложки с рисунком Si и ее применения в выращивании 3C-SiC [D], Сианьский технологический университет, 2018.

[8] Ларс, Хиллер, Томас и др. Водородные эффекты при ЭЦР-травлении меза-структур 3C-SiC (100) [J]. Форум наук о материалах, 2014.

[9] Сюй Цинфан. Получение тонких пленок 3C-SiC методом лазерного химического осаждения из паровой фазы [D].

[10] Фойсал АРМ, Нгуен Т, Динь ТК и др. Гетероструктура 3C-SiC/Si: отличная платформа для позиционно-чувствительных детекторов на основе фотоэлектрического эффекта [J].ACS Applied Materials & Interfaces, 2019: 40980-40987.

[11] Синь Бин. Гетероэпитаксиальный рост 3C/4H-SiC на основе процесса CVD: характеристика дефектов и эволюция [D].

[12] Донг Линь. Технология эпитаксиального выращивания нескольких пластин большой площади и характеристика физических свойств карбида кремния [D], Университет Китайской академии наук, 2014.

[13] Диани М., Саймон Л., Кублер Л. и др. Выращивание кристаллов политипа 3C-SiC на подложке 6H-SiC(0001)[J]. Журнал роста кристаллов, 2002, 235(1):95-102.