Heteroepitaxy of 3C-SiC: An Overview

1. Historisk utvikling av 3C-SiC

Utviklingen av 3C-SiC, en betydelig polytype av silisiumkarbid, gjenspeiler den kontinuerlige utviklingen av halvledermaterialvitenskap. På 1980-tallet, Nishino et al. oppnådde først en 4 μm tykk 3C-SiC-film på et silisiumsubstrat ved bruk av kjemisk dampavsetning (CVD)[1], og la grunnlaget for 3C-SiC-tynnfilmteknologi.

1990-tallet markerte en gullalder for SiC-forskning. Cree Research Inc.s lansering av 6H-SiC- og 4H-SiC-brikker i henholdsvis 1991 og 1994, drev frem kommersialiseringen av SiC-halvlederenheter. Denne teknologiske fremgangen la grunnlaget for påfølgende forskning og anvendelser av 3C-SiC.

På begynnelsen av det 21. århundre så silisiumbaserte SiC-filmer også betydelig fremgang i Kina. Ye Zhizhen et al. produserte SiC-filmer på silisiumsubstrater ved bruk av CVD ved lave temperaturer i 2002[2], mens An Xia et al. oppnådde lignende resultater ved bruk av magnetronsputtering ved romtemperatur i 2001[3].

Imidlertid førte det store gittermisforholdet mellom Si og SiC (omtrent 20%) til en høy defekttetthet i 3C-SiC epitaksiallaget, spesielt doble posisjoneringsgrenser (DPB). For å dempe dette, valgte forskere substrater som 6H-SiC, 15R-SiC eller 4H-SiC med en (0001) orientering for å dyrke 3C-SiC epitaksiale lag, og dermed redusere defekttettheten. For eksempel, i 2012, Seki, Kazuaki et al. foreslått en kinetisk polymorfismekontrollteknikk, som oppnår selektiv vekst av 3C-SiC og 6H-SiC på 6H-SiC(0001) frø ved å kontrollere overmetning [4-5]. I 2023, Xun Li et al. oppnådde med hell glatte 3C-SiC epitaksiale lag fri for DPBs på 4H-SiC-substrater ved bruk av optimalisert CVD-vekst med en hastighet på 14 μm/t [6].

2. Krystallstruktur og anvendelser av 3C-SiC

Blant de mange SiC-polytypene er 3C-SiC, også kjent som β-SiC, den eneste kubiske polytypen. I denne krystallstrukturen eksisterer Si- og C-atomer i et en-til-en-forhold, og danner en tetraedrisk enhetscelle med sterke kovalente bindinger. Strukturen er preget av Si-C-dobbeltlag arrangert i en ABC-ABC-...-sekvens, med hver enhetscelle som inneholder tre slike tolag, angitt med C3-notasjonen. Figur 1 illustrerer krystallstrukturen til 3C-SiC.

                                                                                                                                                                           Figur 1. Krystallstruktur av 3C-SiC

For tiden er silisium (Si) det mest brukte halvledermaterialet for kraftenheter. Dens iboende begrensninger begrenser imidlertid ytelsen. Sammenlignet med 4H-SiC og 6H-SiC, har 3C-SiC den høyeste teoretiske elektronmobiliteten ved romtemperatur (1000 cm2·V-1·s-1), noe som gjør den mer fordelaktig for MOSFET-applikasjoner. I tillegg gjør dens høye nedbrytningsspenning, utmerkede varmeledningsevne, høye hardhet, brede båndgap, høytemperaturmotstand og strålingsmotstand 3C-SiC svært lovende for applikasjoner innen elektronikk, optoelektronikk, sensorer og ekstreme miljøer:

Høyeffekt-, høyfrekvent- og høytemperaturapplikasjoner: 3C-SiCs høye nedbrytningsspenning og høye elektronmobilitet gjør den ideell for produksjon av kraftenheter som MOSFET-er, spesielt i krevende miljøer[7].

Nanoelektronikk og mikroelektromekaniske systemer (MEMS): Dens kompatibilitet med silisiumteknologi gjør det mulig å lage strukturer i nanoskala, noe som muliggjør applikasjoner i nanoelektronikk og MEMS-enheter[8].

Optoelektronikk:Som et halvledermateriale med bredt bånd er 3C-SiC egnet for blå lysdioder (LED). Dens høye lyseffektivitet og enkle doping gjør den attraktiv for applikasjoner innen belysning, skjermteknologier og lasere[9].

Sensorer:3C-SiC brukes i posisjonsfølsomme detektorer, spesielt laserpunktposisjonsfølsomme detektorer basert på den laterale fotovoltaiske effekten. Disse detektorene viser høy følsomhet under null forspenningsforhold, noe som gjør dem egnet for presisjonsposisjoneringsapplikasjoner[10].

3. Forberedelsesmetoder for 3C-SiC Heteroepitaxy

Vanlige metoder for 3C-SiC heteroepitaxi inkluderer kjemisk dampavsetning (CVD), sublimasjonsepitaksi (SE), væskefaseepitaksi (LPE), molekylær stråleepitaksi (MBE) og magnetronsputtering. CVD er den foretrukne metoden for 3C-SiC-epitaksi på grunn av dens kontrollerbarhet og tilpasningsevne når det gjelder temperatur, gassstrøm, kammertrykk og reaksjonstid, noe som muliggjør optimalisering av epitaksiallagets kvalitet.

Kjemisk dampavsetning (CVD):Gassformige forbindelser som inneholder Si og C introduseres i et reaksjonskammer og varmes opp til høye temperaturer, noe som fører til dekomponering. Si- og C-atomene avsettes deretter på et substrat, typisk Si, 6H-SiC, 15R-SiC eller 4H-SiC [11]. Denne reaksjonen skjer typisk mellom 1300-1500°C. Vanlige Si-kilder inkluderer SiH4, TCS og MTS, mens C-kilder primært er C2H4 og C3H8, med H2 som bæregassen. Figur 2 viser en skjematisk fremstilling av CVD-prosessen[12].

                                                                                                                                                               Figur 2. Skjematisk av CVD-prosessen

Sublimasjonsepitaksi (SE):I denne metoden plasseres et 6H-SiC- eller 4H-SiC-substrat på toppen av en digel, med høyrent SiC-pulver som kildemateriale i bunnen. Digelen varmes opp til 1900-2100°C via radiofrekvensinduksjon, og holder substrattemperaturen lavere enn kildetemperaturen for å skape en aksial temperaturgradient. Dette gjør at sublimert SiC kan kondensere og krystallisere på underlaget, og danne 3C-SiC heteroepitaxy.

Molecular Beam Epitaxy (MBE):Denne avanserte tynnfilmsvekstteknikken er egnet for dyrking av 3C-SiC-epitaksiale lag på 4H-SiC- eller 6H-SiC-substrater. Under ultrahøyt vakuum muliggjør presis kontroll av kildegasser dannelsen av retningsbestemte atom- eller molekylstråler av bestanddeler. Disse bjelkene er rettet mot den oppvarmede substratoverflaten for epitaksial vekst.

4. Konklusjon og utsikter

Med kontinuerlige teknologiske fremskritt og dyptgående mekanistiske studier, er 3C-SiC heteroepitaxy klar til å spille en stadig viktigere rolle i halvlederindustrien, og driver utviklingen av energieffektive elektroniske enheter. Utforsking av nye vekstteknikker, for eksempel å introdusere HCl-atmosfærer for å øke veksthastigheten og samtidig opprettholde lave defekttettheter, er en lovende vei for fremtidig forskning. Ytterligere undersøkelser av defektdannelsesmekanismer og utvikling av avanserte karakteriseringsteknikker vil muliggjøre presis defektkontroll og optimaliserte materialegenskaper. Rask vekst av høykvalitets, tykke 3C-SiC-filmer er avgjørende for å møte kravene til høyspenningsenheter, og krever videre forskning for å adressere balansen mellom veksthastighet og materialensartethet. Ved å utnytte anvendelsene av 3C-SiC i heterostrukturer som SiC/GaN, kan potensialet i nye enheter som kraftelektronikk, optoelektronisk integrasjon og kvanteinformasjonsbehandling utforskes fullt ut.

Referanser:

[1] Nishino S, Hazuki Y, Matsunami H, et al. Kjemisk dampavsetning av enkeltkrystallinske β-SiC-filmer på silisiumsubstrat med sputtered SiC-mellomlag[J]. Journal of The Electrochemical Society, 1980, 127(12):2674-2680.

[2] Ye Zhizhen, Wang Yadong, Huang Jingyun, et al. Forskning på lavtemperaturvekst av tynne silisiumkarbidfilmer [J] Journal of Vacuum Science and Technology, 2002, 022(001):58-60. .

[3] An Xia, Zhuang Huizhao, Li Huaixiang, et al. Fremstilling av tynne nano-SiC-filmer ved magnetronsputtering 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 vekst av SiC ved overmetningskontroll i løsningsvekst [J]. Journal of Crystal Growth, 2012, 360:176-180.

[5] Chen Yao, Zhao Fuqiang, Zhu Bingxian, He Shuai Oversikt over utviklingen av silisiumkarbidkraftenheter i inn- og utland [J] Vehicle and Power Technology, 2020: 49-54.

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

[7] Hou Kaiwen Forskning på Si-mønstret substrat og dets anvendelse i 3C-SiC-vekst [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 av 3C-SiC tynne filmer ved laserkjemisk dampavsetning [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 heteroepitaksial vekst basert på CVD-prosess: defektkarakterisering og evolusjon [D].

[12] Dong Lin Epitaksial vekstteknologi med stort område og fysisk egenskapskarakterisering av silisiumkarbid [D] University of Chinese Academy of Sciences, 2014.

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