Гетероепітаксія 3C-SiC: огляд

1. Історичний розвиток 3C-SiC

Розробка 3C-SiC, значного політипу карбіду кремнію, відображає безперервний прогрес науки про напівпровідники. У 1980-х роках Nishino та ін. вперше досяг плівки 3C-SiC товщиною 4 мкм на кремнієвій підкладці за допомогою хімічного осадження з парової фази (CVD)[1], заклавши основу для технології тонких плівок 3C-SiC.

1990-ті роки стали золотим віком для досліджень SiC. Запуск компанією Cree Research Inc. мікросхем 6H-SiC і 4H-SiC у 1991 і 1994 роках, відповідно, стимулював комерціалізацію напівпровідникових пристроїв з SiC. Цей технологічний прогрес заклав основу для наступних досліджень і застосування 3C-SiC.

На початку 21 століття плівки SiC на основі кремнію також досягли значного прогресу в Китаї. Ye Zhizhen та ін. виготовили плівки SiC на кремнієвих підкладках за допомогою CVD при низьких температурах у 2002 році[2], тоді як An Xia та ін. досяг подібних результатів за допомогою магнетронного розпилення при кімнатній температурі в 2001 році[3].

Однак велика невідповідність граток між Si та SiC (приблизно 20%) призвела до високої щільності дефектів в епітаксіальному шарі 3C-SiC, зокрема подвійних меж позиціонування (DPB). Щоб пом’якшити це, дослідники вибрали такі підкладки, як 6H-SiC, 15R-SiC або 4H-SiC з орієнтацією (0001) для вирощування епітаксійних шарів 3C-SiC, тим самим зменшивши щільність дефектів. Наприклад, у 2012 році Seki, Kazuaki et al. запропонував техніку контролю кінетичного поліморфізму, досягаючи селективного росту 3C-SiC і 6H-SiC на зерні 6H-SiC(0001) шляхом контролю перенасичення [4-5]. У 2023 році Сюнь Лі та ін. успішно отримали гладкі епітаксійні шари 3C-SiC, вільні від DPB, на підкладках 4H-SiC за допомогою оптимізованого CVD росту зі швидкістю 14 мкм/год [6].

2. Кристалічна структура та застосування 3C-SiC

Серед численних політипів SiC 3C-SiC, також відомий як β-SiC, є єдиним кубічним політипом. У цій кристалічній структурі атоми Si та C існують у співвідношенні один до одного, утворюючи тетраедричну елементарну комірку з міцними ковалентними зв’язками. Структура характеризується подвійними шарами Si-C, розташованими в послідовності ABC-ABC-…, причому кожна елементарна комірка містить три таких подвійних шару, позначених позначенням C3. Рисунок 1 ілюструє кристалічну структуру 3C-SiC.

                                                                                                                                                                           Рисунок 1. Кристалічна структура 3C-SiC

В даний час кремній (Si) є найбільш широко використовуваним напівпровідниковим матеріалом для силових пристроїв. Однак властиві обмеження обмежують його продуктивність. Порівняно з 4H-SiC і 6H-SiC, 3C-SiC має найвищу теоретичну рухливість електронів при кімнатній температурі (1000 см2·В-1·с-1), що робить його більш вигідним для додатків MOSFET. Крім того, його висока напруга пробою, чудова теплопровідність, висока твердість, широка заборонена зона, стійкість до високих температур і стійкість до випромінювання роблять 3C-SiC дуже перспективним для застосування в електроніці, оптоелектроніці, датчиках і екстремальних середовищах:

Висока потужність, висока частота та висока температура: висока напруга пробою 3C-SiC і висока рухливість електронів роблять його ідеальним для виробництва силових пристроїв, таких як MOSFET, особливо у складних середовищах [7].

Наноелектроніка та мікроелектромеханічні системи (MEMS): Його сумісність із кремнієвою технологією дозволяє виготовляти нанорозмірні структури, що дозволяє застосовувати їх у наноелектроніці та пристроях MEMS[8].

Оптоелектроніка:Як широкозонний напівпровідниковий матеріал 3C-SiC підходить для синіх світлодіодів (LED). Його висока світлова ефективність і легкість легування роблять його привабливим для застосування в освітленні, технологіях відображення та лазерах [9].

Датчики:3C-SiC використовується в позиційно-чутливих детекторах, зокрема лазерних точкових позиційно-чутливих детекторах на основі бічного фотоелектричного ефекту. Ці детектори демонструють високу чутливість за умов нульового зміщення, що робить їх придатними для додатків точного позиціонування [10].

3. Методи отримання 3C-SiC гетероепітаксії

До поширених методів гетероепітаксії 3C-SiC належать хімічне осадження з парової фази (CVD), сублімаційна епітаксія (SE), рідкофазна епітаксія (LPE), молекулярно-променева епітаксія (MBE) і магнетронне розпилення. CVD є кращим методом епітаксії 3C-SiC завдяки його керованості та адаптивності щодо температури, потоку газу, тиску в камері та часу реакції, що дозволяє оптимізувати якість епітаксійного шару.

Хімічне осадження з парової фази (CVD):Газоподібні сполуки, що містять Si і C, вводять в реакційну камеру і нагрівають до високих температур, що призводить до їх розкладання. Потім атоми Si та C осідають на підкладку, як правило, Si, 6H-SiC, 15R-SiC або 4H-SiC [11]. Ця реакція зазвичай відбувається між 1300-1500°C. Звичайні джерела кремнію включають SiH4, TCS і MTS, тоді як джерелами C є переважно C2H4 і C3H8, з H2 як газом-носієм. На рисунку 2 зображено схему ССЗ [12].

                                                                                                                                                               Рисунок 2. Схема процесу ССЗ

Сублімаційна епітаксія (SE):У цьому методі підкладка 6H-SiC або 4H-SiC розміщується у верхній частині тигля, а порошок SiC високої чистоти є вихідним матеріалом у нижній частині. Тигель нагрівають до 1900-2100°C за допомогою радіочастотної індукції, підтримуючи температуру підкладки нижчою за температуру джерела для створення осьового градієнта температури. Це дозволяє сублімованому SiC конденсуватися та кристалізуватися на підкладці, утворюючи гетероепітаксію 3C-SiC.

Молекулярно-променева епітаксія (MBE):Цей вдосконалений метод росту тонких плівок підходить для вирощування епітаксійних шарів 3C-SiC на підкладках 4H-SiC або 6H-SiC. В умовах надвисокого вакууму точний контроль вихідних газів дозволяє формувати спрямовані атомні або молекулярні пучки складових елементів. Ці промені спрямовані до нагрітої поверхні підкладки для епітаксійного росту.

4. Висновок і прогноз

З безперервним технологічним прогресом і поглибленими дослідженнями механіки гетероепітаксія 3C-SiC готова відігравати все більш важливу роль у напівпровідниковій промисловості, стимулюючи розробку енергоефективних електронних пристроїв. Дослідження нових методів вирощування, таких як введення атмосфери HCl для підвищення швидкості росту при збереженні низької щільності дефектів, є перспективним напрямком для майбутніх досліджень. Подальше дослідження механізмів утворення дефектів і розробка передових методів визначення характеристик дозволить точно контролювати дефекти та оптимізувати властивості матеріалу. Швидке зростання високоякісних товстих плівок 3C-SiC має вирішальне значення для задоволення вимог високовольтних пристроїв, що вимагає подальших досліджень, щоб знайти баланс між швидкістю росту та однорідністю матеріалу. Використовуючи застосування 3C-SiC у таких гетероструктурах, як SiC/GaN, можна повністю вивчити його потенціал у нових пристроях, таких як силова електроніка, оптоелектронна інтеграція та квантова обробка інформації.

Література:

[1] Nishino S, Hazuki Y, Matsunami H та ін. Хімічне осадження з парової фази монокристалічних плівок β-SiC на кремнієву підкладку з напиленим проміжним шаром SiC[J]. Журнал Електрохімічного товариства, 1980, 127(12):2674-2680.

[2] Ye Zhizhen, Wang Yadong, Huang Jingyun та ін. Дослідження низькотемпературного росту тонких плівок на основі карбіду кремнію [Journal of Vacuum Science and Technology], 2002, 022(001):58-60. .

[3] An Xia, Zhuang Huizhao, Li Huaixiang, et al. Отримання тонких плівок нано-SiC магнетронним напиленням на підкладку (111) Si [J]. Journal of Shandong Normal University, 2001: 382-384 ..

[4] Seki K, Alexander, Kozawa S та ін. Політипно-селективне зростання SiC шляхом контролю перенасичення при зростанні розчину [J]. Journal of Crystal Growth, 2012, 360:176-180.

[5] Чень Яо, Чжао Фуцян, Чжу Бінсянь, Хе Шуай. Огляд розвитку силових пристроїв з карбіду кремнію в країні та за кордоном [J]. 2020: 49-54.

[6] Li X, Wang G. CVD-зростання шарів 3C-SiC на підкладках 4H-SiC із покращеною морфологією [J].Solid State Communications, 2023:371.

[7] Hou Kaiwen Дослідження кремнієвої підкладки та її застосування у вирощуванні 3C-SiC [D]. Сіаньський технологічний університет, 2018.

[8] Ларс, Гіллер, Томас та ін. Ефекти водню в ECR-Etching 3C-SiC(100) мезоструктур [J]. Форум матеріалознавства, 2014.

[9] Xu Qingfang. Отримання тонких плівок 3C-SiC методом лазерного хімічного осадження [D]. Технологічний університет Уханя, 2016.

[10] Foisal ARM, Nguyen T, Dinh TK, 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. Гетероепітаксіальний ріст 3C/4H-SiC на основі процесу CVD: характеристика та еволюція дефектів [D]. Сіаньський університет електронних наук і технологій.

[12] Dong Lin. Технологія епітаксійного вирощування великої площі та характеристика фізичних властивостей карбіду кремнію [D]. Університет Китайської академії наук, 2014.

[13] Діані М., Саймон Л., Кюблер Л. та ін. Ріст кристалів політипу 3C-SiC на підкладці 6H-SiC(0001) [J]. Journal of Crystal Growth, 2002, 235(1):95-102.