Heteroepitaksja 3C-SiC: przegląd

1. Historyczny rozwój 3C-SiC

Rozwój 3C-SiC, ważnego politypu węglika krzemu, odzwierciedla ciągły postęp nauki o materiałach półprzewodnikowych. W latach 80. Nishino i in. po raz pierwszy uzyskano warstwę 3C-SiC o grubości 4 μm na podłożu krzemowym za pomocą chemicznego osadzania z fazy gazowej (CVD)[1], kładąc podwaliny pod technologię cienkowarstwową 3C-SiC.

Lata 90. XX wieku to złoty wiek badań nad SiC. Wprowadzenie na rynek przez firmę Cree Research Inc. chipów 6H-SiC i 4H-SiC odpowiednio w latach 1991 i 1994 przyczyniło się do komercjalizacji urządzeń półprzewodnikowych SiC. Ten postęp technologiczny położył podwaliny pod kolejne badania i zastosowania 3C-SiC.

Na początku XXI wieku folie SiC na bazie krzemu również odnotowały znaczny postęp w Chinach. Ye Zhizhen i in. wytworzył folie SiC na podłożach krzemowych przy użyciu CVD w niskich temperaturach w 2002 r. [2], podczas gdy An Xia i in. osiągnęli podobne wyniki przy użyciu rozpylania magnetronowego w temperaturze pokojowej w 2001 roku [3].

Jednakże duże niedopasowanie sieci między Si i SiC (około 20%) doprowadziło do dużej gęstości defektów w warstwie epitaksjalnej 3C-SiC, szczególnie w przypadku podwójnych granic pozycjonowania (DPB). Aby temu zaradzić, badacze zdecydowali się na podłoża takie jak 6H-SiC, 15R-SiC lub 4H-SiC o orientacji (0001) do rosnących warstw epitaksjalnych 3C-SiC, zmniejszając w ten sposób gęstość defektów. Na przykład w 2012 r. Seki, Kazuaki i in. zaproponowali technikę kinetycznej kontroli polimorfizmu, osiągającą selektywny wzrost 3C-SiC i 6H-SiC na nasionach 6H-SiC(0001) poprzez kontrolowanie przesycenia [4-5]. W 2023 r. Xun Li i in. pomyślnie uzyskano gładkie warstwy epitaksjalne 3C-SiC wolne od DPB na podłożach 4H-SiC przy użyciu zoptymalizowanego wzrostu CVD z szybkością 14 μm/h[6].

2. Struktura kryształu i zastosowania 3C-SiC

Spośród licznych politypów SiC, jedynym politypem sześciennym jest 3C-SiC, znany również jako β-SiC. W tej strukturze krystalicznej atomy Si i C występują w stosunku jeden do jednego, tworząc czworościenną komórkę elementarną z silnymi wiązaniami kowalencyjnymi. Strukturę charakteryzują dwuwarstwy Si-C ułożone w sekwencji ABC-ABC-…, przy czym w każdej komórce elementarnej znajdują się trzy takie dwuwarstwy, oznaczone notacją C3. Rysunek 1 ilustruje strukturę krystaliczną 3C-SiC.

                                                                                                                                                                           Rysunek 1. Struktura krystaliczna 3C-SiC

Obecnie krzem (Si) jest najpowszechniej stosowanym materiałem półprzewodnikowym w urządzeniach zasilających. Jednak jego nieodłączne ograniczenia ograniczają jego wydajność. W porównaniu do 4H-SiC i 6H-SiC, 3C-SiC posiada najwyższą teoretyczną ruchliwość elektronów w temperaturze pokojowej (1000 cm2·V-1·s-1), co czyni go bardziej korzystnym w zastosowaniach MOSFET. Dodatkowo wysokie napięcie przebicia, doskonała przewodność cieplna, wysoka twardość, szerokie pasmo wzbronione, odporność na wysoką temperaturę i odporność na promieniowanie sprawiają, że 3C-SiC jest bardzo obiecujący w zastosowaniach w elektronice, optoelektronice, czujnikach i ekstremalnych środowiskach:

Zastosowania o dużej mocy, wysokiej częstotliwości i wysokiej temperaturze: Wysokie napięcie przebicia i wysoka mobilność elektronów 3C-SiC sprawiają, że idealnie nadaje się on do produkcji urządzeń zasilających, takich jak tranzystory MOSFET, szczególnie w wymagających środowiskach[7].

Nanoelektronika i systemy mikroelektromechaniczne (MEMS): Jego zgodność z technologią krzemową pozwala na wytwarzanie struktur w nanoskali, co umożliwia zastosowanie w nanoelektronice i urządzeniach MEMS[8].

Optoelektronika:Jako materiał półprzewodnikowy o szerokim paśmie wzbronionym, 3C-SiC nadaje się do stosowania w diodach emitujących światło niebieskie (LED). Wysoka skuteczność świetlna i łatwość domieszkowania czynią go atrakcyjnym do zastosowań w oświetleniu, technologiach wyświetlania i laserach[9].

Czujniki:3C-SiC jest stosowany w detektorach wrażliwych na położenie, szczególnie w detektorach czułych na położenie z plamką laserową, opartych na bocznym efekcie fotowoltaicznym. Detektory te charakteryzują się wysoką czułością w warunkach zerowego odchylenia, dzięki czemu nadają się do zastosowań związanych z precyzyjnym pozycjonowaniem[10].

3. Metody przygotowania heteroepitaksji 3C-SiC

Typowe metody heteroepitaksji 3C-SiC obejmują chemiczne osadzanie z fazy gazowej (CVD), epitaksję sublimacyjną (SE), epitaksję w fazie ciekłej (LPE), epitaksję z wiązek molekularnych (MBE) i rozpylanie magnetronowe. CVD jest preferowaną metodą epitaksji 3C-SiC ze względu na jej możliwość kontrolowania i dostosowywania pod względem temperatury, przepływu gazu, ciśnienia w komorze i czasu reakcji, umożliwiając optymalizację jakości warstwy epitaksjalnej.

Chemiczne osadzanie z fazy gazowej (CVD):Związki gazowe zawierające Si i C wprowadzane są do komory reakcyjnej i podgrzewane do wysokich temperatur, co prowadzi do ich rozkładu. Atomy Si i C osadzają się następnie na podłożu, zwykle Si, 6H-SiC, 15R-SiC lub 4H-SiC [11]. Reakcja ta zwykle zachodzi w temperaturze 1300-1500°C. Typowe źródła Si obejmują SiH4, TCS i MTS, podczas gdy źródła C to głównie C2H4 i C3H8, z H2 jako gazem nośnym. Rycina 2 przedstawia schemat procesu CVD[12].

                                                                                                                                                               Rysunek 2. Schemat procesu CVD

Epitaksja sublimacyjna (SE):W tej metodzie podłoże 6H-SiC lub 4H-SiC umieszcza się na górze tygla, a na dnie znajduje się proszek SiC o wysokiej czystości jako materiał źródłowy. Tygiel nagrzewa się do temperatury 1900-2100°C za pomocą indukcji o częstotliwości radiowej, utrzymując temperaturę podłoża niższą niż temperatura źródła, aby wytworzyć osiowy gradient temperatury. Umożliwia to kondensację i krystalizację sublimowanego SiC na podłożu, tworząc heteroepitaksję 3C-SiC.

Epitaksja z wiązek molekularnych (MBE):Ta zaawansowana technika wzrostu cienkowarstwowego jest odpowiednia do hodowli warstw epitaksjalnych 3C-SiC na podłożach 4H-SiC lub 6H-SiC. W ultrawysokiej próżni precyzyjna kontrola gazów źródłowych umożliwia tworzenie kierunkowych wiązek atomowych lub molekularnych pierwiastków składowych. Wiązki te są skierowane w stronę nagrzanej powierzchni podłoża w celu wzrostu epitaksjalnego.

4. Wnioski i perspektywy

Dzięki ciągłemu postępowi technologicznemu i dogłębnym badaniom mechanistycznym heteroepitaksja 3C-SiC może odgrywać coraz ważniejszą rolę w przemyśle półprzewodników, napędzając rozwój energooszczędnych urządzeń elektronicznych. Eksplorowanie nowych technik wzrostu, takich jak wprowadzanie atmosfer HCl w celu zwiększenia szybkości wzrostu przy jednoczesnym utrzymaniu niskiej gęstości defektów, jest obiecującym kierunkiem przyszłych badań. Dalsze badania nad mechanizmami powstawania defektów i rozwój zaawansowanych technik charakteryzacji umożliwią precyzyjną kontrolę defektów i zoptymalizowanie właściwości materiału. Szybki wzrost wysokiej jakości grubych folii 3C-SiC ma kluczowe znaczenie dla spełnienia wymagań urządzeń wysokonapięciowych, co wymaga dalszych badań w celu ustalenia równowagi między tempem wzrostu a jednorodnością materiału. Wykorzystując zastosowania 3C-SiC w heterostrukturach takich jak SiC/GaN, można w pełni zbadać jego potencjał w nowatorskich urządzeniach, takich jak elektronika mocy, integracja optoelektroniczna i kwantowe przetwarzanie informacji.

Referencje:

[1] Nishino S, Hazuki Y, Matsunami H i in. Chemiczne osadzanie z fazy gazowej pojedynczych krystalicznych filmów β-SiC na podłożu krzemowym z napyloną warstwą pośrednią SiC [J].Journal of The Electrochemical Society, 1980, 127(12):2674-2680.

[2] Ye Zhizhen, Wang Yadong, Huang Jingyun i in. Badania nad wzrostem w niskiej temperaturze cienkich warstw węglika krzemu na bazie krzemu [J]. Journal of Vacuum Science and Technology, 2002, 022(001):58-60 .

[3] An Xia, Zhuang Huizhao, Li Huaixiang i in. Przygotowanie cienkich warstw nano-SiC metodą rozpylania magnetronowego na podłożu (111) Si [J] Journal of Shandong Normal University: Natural Science Edition, 2001: 382-384 ..

[4] Seki K, Alexander, Kozawa S i in. Selektywny pod względem politypu wzrost SiC poprzez kontrolę przesycenia we wzroście roztworu [J]. Journal of Crystal Growth, 2012, 360:176-180.

[5] Chen Yao, Zhao Fuqiang, Zhu Bingxian, He Shuai. Przegląd rozwoju urządzeń zasilających z węglika krzemu w kraju i za granicą [J]. Vehicle and Power Technology, 2020: 49-54.

[6] Li X, Wang G. Wzrost CVD warstw 3C-SiC na podłożach 4H-SiC o ulepszonej morfologii [J].Solid State Communications, 2023:371.

[7] Hou Kaiwen. Badania nad podłożem wzorzystym Si i jego zastosowaniem we wzroście 3C-SiC [D]. Politechnika Xi'an, 2018.

[8]Lars, Hiller, Thomas i in. Wpływ wodoru na trawienie ECR 3C-SiC(100) Mes Structures[J].Materials Science Forum, 2014.

[9] Xu Qingfang. Przygotowanie cienkich warstw 3C-SiC metodą laserowego chemicznego osadzania z fazy gazowej [D].

[10] Foisal AR M, Nguyen T, Dinh T K i in. Heterostruktura 3C-SiC/Si: doskonała platforma dla detektorów wrażliwych na położenie w oparciu o efekt fotowoltaiczny [J].ACS Applied Materials & Interfaces, 2019: 40980-40987.

[11] Xin Bin. Wzrost heteroepitaksjalny 3C/4H-SiC w oparciu o proces CVD: charakterystyka i ewolucja defektów [D]. Uniwersytet Nauki i Technologii Elektronicznej w Xi'an.

[12] Dong Lin. Technologia epitaksjalnego wzrostu wielu płytek na dużej powierzchni i charakterystyka właściwości fizycznych węglika krzemu [D]. Uniwersytet Chińskiej Akademii Nauk, 2014.

[13] Diani M, Simon L, Kubler L i in. Wzrost kryształów politypu 3C-SiC na podłożu 6H-SiC(0001)[J]. Journal of Crystal Growth, 2002, 235(1):95-102.