A história do desenvolvimento do 3C SiC

Como uma forma importante decarboneto de silício, o histórico de desenvolvimento de3C-SiCreflete o progresso contínuo da ciência dos materiais semicondutores. Na década de 1980, Nishino et al. obteve pela primeira vez filmes finos 3C-SiC de 4um em substratos de silício por deposição química de vapor (CVD) [1], que lançou as bases para a tecnologia de filmes finos 3C-SiC.

A década de 1990 foi a era de ouro da pesquisa sobre SiC. lançou chips 6H-SiC e 4H-SiC em 1991 e 1994, respectivamente, promovendo a comercialização deSiC semicondutores dispositivos. O progresso tecnológico durante este período lançou as bases para a subsequente pesquisa e aplicação do 3C-SiC.

No início do século XXI,Filmes finos de sic de silício domésticotambém desenvolvido até certo ponto. Ye Zhizhen et al. Preparou filmes finos de SiC baseados em silício por CVD em condições de baixa temperatura em 2002 [2]. Em 2001, um Xia et al. Preparou filmes finos de SiC baseados em silício por magnetron sputtering à temperatura ambiente [3].

No entanto, devido à grande diferença entre a constante de treliça do Si e a do SiC (cerca de 20%), a densidade de defeitos da camada epitaxial 3C-SiC é relativamente alta, especialmente o defeito gêmeo, como o DPB. Para reduzir a incompatibilidade da treliça, os pesquisadores usam 6H-SiC, 15R-SIC ou 4H-SIC na superfície (0001) como substrato para cultivar camada epitaxial 3C-SIC e reduzir a densidade de defeito. Por exemplo, em 2012, Seki, Kazuaki et al. propuseram a tecnologia de controle de epitaxia polimórfica dinâmica, que realiza o crescimento seletivo polimórfico de 3C-SIC e 6H-SIC na semente de superfície 6H-SiC (0001), controlando a supersaturação [4-5]. Em 2023, pesquisadores como Xun Li usaram o método CVD para otimizar o crescimento e o processo e obtiveram com sucesso um 3C-SIC suavecamada epitaxialsem defeitos de DPB na superfície em um substrato 4H-SiC a uma taxa de crescimento de 14um/h [6].

Estrutura cristalina e campos de aplicação de 3c sic

Entre muitos polióticos SICD, o 3C-SIC é o único polytype cúbico, também conhecido como β-SIC. Nesta estrutura cristalina, os átomos de Si e C existem em uma proporção individual na rede, e cada átomo é cercado por quatro átomos heterogêneos, formando uma unidade estrutural tetraédrica com fortes ligações covalentes. A característica estrutural do 3C-SIC é que as camadas diatômicas Si-C são dispostas repetidamente na ordem de ABC-ABC-… e cada célula unitária contém três dessas camadas diatômicas, que é chamada de representação C3; A estrutura cristalina do 3C-SIC é mostrada na figura abaixo:

Figura 1 Estrutura cristalina de 3C-SIC

Atualmente, o Silicon (SI) é o material semicondutor mais usado para dispositivos de energia. No entanto, devido ao desempenho do SI, os dispositivos de energia baseados em silício são limitados. Comparado com 4H-SiC e 6H-SIC, o 3C-SIC possui a maior mobilidade teórica da temperatura ambiente (1000 cm · V-1 · S-1) e tem mais vantagens nas aplicações de dispositivos MOS. Ao mesmo tempo, o 3C-SIC também possui excelentes propriedades, como alta tensão de ruptura, boa condutividade térmica, alta dureza, largura de banda, resistência a alta temperatura e resistência à radiação. Portanto, tem um grande potencial em eletrônica, optoeletrônica, sensores e aplicações sob condições extremas, promovendo o desenvolvimento e a inovação de tecnologias relacionadas e mostrando amplo potencial de aplicação em muitos campos:

Primeiro: especialmente em ambientes de alta tensão, alta frequência e alta temperatura, a alta tensão de ruptura e a alta mobilidade de elétrons do 3C-SIC tornam a escolha ideal para dispositivos de potência de fabricação, como o MOSFET [7]. Segundo: A aplicação do 3C-SIC em nanoeletrônicos e sistemas microeletromecânicos (MEMS) se beneficia de sua compatibilidade com a tecnologia de silício, permitindo a fabricação de estruturas em nanoescala, como nanoeletrônicas e dispositivos nanoeletromecânicos [8]. Terceiro: como um amplo material semicondutor de banda, 3C-SIC é adequado para a fabricação dediodos emissores de luz azul(LED). Sua aplicação em iluminação, tecnologia de display e lasers tem atraído atenção devido à sua alta eficiência luminosa e fácil dopagem [9]. Quarto: Ao mesmo tempo, 3C-SiC é usado para fabricar detectores sensíveis à posição, especialmente detectores sensíveis à posição de ponto laser baseados no efeito fotovoltaico lateral, que apresentam alta sensibilidade sob condições de polarização zero e são adequados para posicionamento preciso [10] .

3. Método de preparação da heteroepitaxia 3c sic

Os principais métodos de crescimento da heteroepitaxia 3C-SiC incluemdeposição química de vapor (CVD), Epitaxia de sublimação (SE), epitaxia em fase líquida (LPE), epitaxia por feixe molecular (MBE), pulverização catódica por magnetron, etc. CVD é o método preferido para epitaxia 3C-SiC devido à sua controlabilidade e adaptabilidade (como temperatura, fluxo de gás, pressão da câmara e tempo de reação, o que pode otimizar a qualidade do camada epitaxial).

Deposição química de vapor (CVD): Um gás composto contendo elementos Si e C é passado para a câmara de reação, aquecido e decomposto em alta temperatura, e então átomos de Si e átomos de C são precipitados no substrato de Si, ou 6H-SiC, 15R- SiC, substrato 4H-SiC [11]. A temperatura desta reação está geralmente entre 1300-1500°C. As fontes comuns de Si incluem SiH4, TCS, MTS, etc., e as fontes de C incluem principalmente C2H4, C3H8, etc., com H2 como gás de arraste. O processo de crescimento inclui principalmente as seguintes etapas: 1. A fonte de reação em fase gasosa é transportada para a zona de deposição no fluxo de gás principal. 2. A reação em fase gasosa ocorre na camada limite para gerar precursores e subprodutos de filmes finos. 3. O processo de precipitação, adsorção e craqueamento do precursor. 4. Os átomos adsorvidos migram e se reconstroem na superfície do substrato. 5. Os átomos adsorvidos nucleam e crescem na superfície do substrato. 6. O transporte em massa do gás residual após a reação para a zona principal de fluxo de gás e é retirado da câmara de reação. A Figura 2 é um diagrama esquemático de DCV [12].

Figura 2 Diagrama esquemático de CVD

Método de epitaxia de sublimação (SE): A Figura 3 é um diagrama de estrutura experimental do método SE para preparação de 3C-SiC. As principais etapas são a decomposição e sublimação da fonte de SiC na zona de alta temperatura, o transporte dos sublimados e a reação e cristalização dos sublimados na superfície do substrato a uma temperatura mais baixa. Os detalhes são os seguintes: O substrato 6H-SiC ou 4H-SiC é colocado no topo do cadinho epó de alta purezaé usado como matéria-prima de SiC e colocado na parte inferior docadinho de grafite. O cadinho é aquecido para 1900-2100 ℃ por indução de radiofrequência, e a temperatura do substrato é controlada para ser menor que a fonte SiC, formando um gradiente de temperatura axial dentro do cadinho, de modo que o material SiC sublimado pode se condensar e cristalizar no substrato Para formar o heteroepitaxial 3C-SiC.

As vantagens da epitaxia da sublimação estão principalmente em dois aspectos: 1. A temperatura da epitaxia é alta, o que pode reduzir defeitos de cristal; 2. Pode ser gravado para obter uma superfície gravada no nível atômico. No entanto, durante o processo de crescimento, a fonte de reação não pode ser ajustada e a relação silício-carbono, tempo, várias sequências de reação etc. não podem ser alteradas, resultando em uma diminuição na controlabilidade do processo de crescimento.

Figura 3 Diagrama esquemático do método SE para cultivo de epitaxia 3C-SiC

A epitaxia do feixe molecular (MBE) é uma tecnologia avançada de crescimento de filmes finos, que é adequado para o crescimento de camadas epitaxiais 3C-SIC em substratos 4H-SiC ou 6H-SiC. O princípio básico deste método é: em um ambiente de vácuo ultra-alto, através do controle preciso do gás de origem, os elementos da crescente camada epitaxial são aquecidos para formar um feixe atômico direcional ou feixe molecular e incidente na superfície do substrato aquecido para crescimento epitaxial. As condições comuns para o crescimento de 3C-SICcamadas epitaxiaisem substratos 4H-SiC ou 6H-SiC são: sob condições ricas em silício, fontes de grafeno e carbono puro são excitadas em substâncias gasosas com um canhão de elétrons, e 1200-1350°C é usado como temperatura de reação. O crescimento heteroepitaxial 3C-SiC pode ser obtido a uma taxa de crescimento de 0,01-0,1 nms-1 [13].

Conclusão e perspectiva

Através do progresso tecnológico contínuo e da pesquisa aprofundada do mecanismo, espera-se que a tecnologia heteroepitaxial 3C-SIC desempenhe um papel mais importante na indústria de semicondutores e promova o desenvolvimento de dispositivos eletrônicos de alta eficiência. Por exemplo, continuar a explorar novas técnicas e estratégias de crescimento, como a introdução da atmosfera de HCL para aumentar a taxa de crescimento, mantendo a baixa densidade de defeitos, é a direção de pesquisas futuras; Pesquisas aprofundadas sobre o mecanismo de formação de defeitos e o desenvolvimento de técnicas de caracterização mais avançadas, como fotoluminescência e análise de catodoluminescência, para obter mais precisão de controle de defeitos e otimizar as propriedades do material; O rápido crescimento de filme de alta qualidade de espessura 3C-SIC é a chave para atender às necessidades de dispositivos de alta tensão, e são necessárias mais pesquisas para superar o equilíbrio entre a taxa de crescimento e a uniformidade do material; Combinado com a aplicação de 3C-SIC em estruturas heterogêneas, como SIC/GAN, explore suas aplicações em potencial em novos dispositivos, como eletrônica de potência, integração optoeletrônica e processamento de informações quânticas.

Referências:

[1] Nishino S, Hazuki Y, Matsunami H, et al. Deposição química de vapor de filmes β-SiC cristalinos únicos em substrato de silício com camada intermediária de SiC pulverizada [J]. Journal of The Electrochemical Society, 1980, 127(12):2674-2680.

[2] Ye Zhizhen, Wang Yadong, Huang Jingyun, et al.

[3] Ansia, Zhuang Huizhao, Li Huaixiang, Esperando.

[4] Seki K, Alexander, Kozawa S, et al. Crescimento seletivo de politipo de SiC por controle de supersaturação no crescimento da solução [J]. Jornal de Crescimento de Cristal, 2012, 360:176-180.

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

[6] Li X, Wang G. CROVOMENTO DE CAMADAS 3C-SIC em substratos 4H-SIC com morfologia aprimorada [J]. Solid State Communications, 2023: 371.

[7] Hou Kaiwen.

[8]Lars, Hiller, Thomas, et al. Efeitos do hidrogênio na gravação ECR de estruturas Mesa 3C-SiC (100) [J]. Materials Science Forum, 2014.

[9] Xu Qingfang. Preparação de filmes finos 3C-SiC por deposição química de vapor a laser [D].

[10] Foisal A R M, Nguyen T, Dinh T K, et al.3C-SIC/SI Heteroestrutura: uma excelente plataforma para detectores sensíveis à posição baseados em efeito fotovoltaico [J] .ACS Materiais aplicados e interfaces, 2019: 40980-40987.

[11] Xin Bin.

[12] Dong Lin.

[13] Diani M, Simon L, Kubler L, et al. Crescimento cristalino de poliate 3C-SIC em substrato 6H-SiC (0001) [J]. Journal of Crystal Growth, 2002, 235 (1): 95-102.