La historia del desarrollo del 3C SiC

Como una forma importante decarburo de silicio, la historia del desarrollo de3C-SiCrefleja el progreso continuo de la ciencia de los materiales semiconductores. En la década de 1980, Nishino et al. Obtuvo por primera vez películas delgadas de 3C-SiC de 4 um sobre sustratos de silicio mediante deposición química de vapor (CVD) [1], lo que sentó las bases para la tecnología de películas delgadas de 3C-SiC.

La década de 1990 fue la época dorada de la investigación sobre el SiC. Cree Research Inc. lanzó chips 6H-SiC y 4H-SiC en 1991 y 1994 respectivamente, promoviendo la comercialización deDispositivos semiconductores de SiC. El progreso tecnológico durante este período sentó las bases para la posterior investigación y aplicación del 3C-SiC.

A principios del siglo XXI,Películas delgadas de SiC domésticas a base de silicioTambién se ha desarrollado hasta cierto punto. Ye Zhizhen et al. preparó películas delgadas de SiC a base de silicio mediante CVD en condiciones de baja temperatura en 2002 [2]. En 2001, An Xia et al. Se prepararon películas delgadas de SiC a base de silicio mediante pulverización catódica con magnetrón a temperatura ambiente [3].

Sin embargo, debido a la gran diferencia entre la constante reticular del Si y la del SiC (aproximadamente 20%), la densidad de defectos de la capa epitaxial 3C-SiC es relativamente alta, especialmente el defecto gemelo como el DPB. Para reducir el desajuste de la red, los investigadores utilizan 6H-SiC, 15R-SiC o 4H-SiC en la superficie (0001) como sustrato para hacer crecer la capa epitaxial de 3C-SiC y reducir la densidad del defecto. Por ejemplo, en 2012, Seki, Kazuaki et al. propuso la tecnología de control dinámico de epitaxia polimórfica, que realiza el crecimiento selectivo polimórfico de 3C-SiC y 6H-SiC en la superficie de la semilla de 6H-SiC (0001) mediante el control de la sobresaturación [4-5]. En 2023, investigadores como Xun Li utilizaron el método CVD para optimizar el crecimiento y el proceso, y obtuvieron con éxito un 3C-SiC suave.capa epitaxialsin defectos de DPB en la superficie sobre un sustrato 4H-SiC a una tasa de crecimiento de 14 um/h [6].

Estructura cristalina y campos de aplicación del 3C SiC

Entre muchos politipos de SiCD, el 3C-SiC es el único politipo cúbico, también conocido como β-SiC. En esta estructura cristalina, los átomos de Si y C existen en una proporción de uno a uno en la red, y cada átomo está rodeado por cuatro átomos heterogéneos, formando una unidad estructural tetraédrica con fuertes enlaces covalentes. La característica estructural de 3C-SiC es que las capas diatómicas de Si-C están dispuestas repetidamente en el orden ABC-ABC-…, y cada celda unitaria contiene tres de esas capas diatómicas, lo que se denomina representación C3; La estructura cristalina del 3C-SiC se muestra en la siguiente figura:

Figura 1 Estructura cristalina del 3C-SiC.

Actualmente, el silicio (Si) es el material semiconductor más utilizado para dispositivos de potencia. Sin embargo, debido al rendimiento del Si, los dispositivos de potencia basados ​​en silicio son limitados. En comparación con 4H-SiC y 6H-SiC, 3C-SiC tiene la movilidad electrónica teórica a temperatura ambiente más alta (1000 cm·V-1·S-1) y tiene más ventajas en aplicaciones de dispositivos MOS. Al mismo tiempo, el 3C-SiC también tiene excelentes propiedades como alto voltaje de ruptura, buena conductividad térmica, alta dureza, amplia banda prohibida, resistencia a altas temperaturas y resistencia a la radiación. Por tanto, tiene un gran potencial en electrónica, optoelectrónica, sensores y aplicaciones en condiciones extremas, promoviendo el desarrollo y la innovación de tecnologías relacionadas y mostrando un amplio potencial de aplicación en muchos campos:

Primero: especialmente en entornos de alto voltaje, alta frecuencia y alta temperatura, el alto voltaje de ruptura y la alta movilidad de los electrones del 3C-SiC lo convierten en una opción ideal para fabricar dispositivos de potencia como MOSFET [7]. Segundo: La aplicación de 3C-SiC en nanoelectrónica y sistemas microelectromecánicos (MEMS) se beneficia de su compatibilidad con la tecnología del silicio, permitiendo la fabricación de estructuras a nanoescala como nanoelectrónica y dispositivos nanoelectromecánicos [8]. Tercero: Como material semiconductor de banda prohibida amplia, el 3C-SiC es adecuado para la fabricación dediodos emisores de luz azules(LED). Su aplicación en iluminación, tecnología de visualización y láseres ha llamado la atención debido a su alta eficiencia luminosa y fácil dopaje [9]. Cuarto: Al mismo tiempo, el 3C-SiC se utiliza para fabricar detectores sensibles a la posición, especialmente detectores sensibles a la posición de puntos láser basados ​​en el efecto fotovoltaico lateral, que muestran una alta sensibilidad en condiciones de polarización cero y son adecuados para un posicionamiento preciso [10]. .

3. Método de preparación de heteroepitaxia 3C SiC

Los principales métodos de crecimiento de la heteroepitaxia 3C-SiC incluyendeposición química de vapor (CVD), epitaxia de sublimación (SE), epitaxia en fase líquida (LPE), epitaxia de haz molecular (MBE), pulverización catódica con magnetrón, etc. CVD es el método preferido para la epitaxia 3C-SiC debido a su controlabilidad y adaptabilidad (como temperatura, flujo de gas, presión de la cámara y tiempo de reacción, que pueden optimizar la calidad del capa epitaxial).

Deposición química de vapor (CVD): un gas compuesto que contiene elementos Si y C se pasa a la cámara de reacción, se calienta y se descompone a alta temperatura, y luego los átomos de Si y los átomos de C se precipitan sobre el sustrato de Si, o 6H-SiC, 15R-. SiC, sustrato 4H-SiC [11]. La temperatura de esta reacción suele estar entre 1300 y 1500 ℃. Las fuentes comunes de Si incluyen SiH4, TCS, MTS, etc., y las fuentes de C incluyen principalmente C2H4, C3H8, etc., con H2 como gas portador. El proceso de crecimiento incluye principalmente los siguientes pasos: 1. La fuente de reacción en fase gaseosa se transporta a la zona de deposición en el flujo de gas principal. 2. La reacción en fase gaseosa ocurre en la capa límite para generar precursores y subproductos de película delgada. 3. El proceso de precipitación, adsorción y craqueo del precursor. 4. Los átomos adsorbidos migran y se reconstruyen en la superficie del sustrato. 5. Los átomos adsorbidos se nuclean y crecen en la superficie del sustrato. 6. El transporte masivo del gas residual después de la reacción a la zona de flujo de gas principal y su salida de la cámara de reacción. La Figura 2 es un diagrama esquemático de CVD [12].

Figura 2 Diagrama esquemático de CVD

Método de epitaxia por sublimación (SE): la Figura 3 es un diagrama de estructura experimental del método SE para preparar 3C-SiC. Los pasos principales son la descomposición y sublimación de la fuente de SiC en la zona de alta temperatura, el transporte de los sublimados y la reacción y cristalización de los sublimados en la superficie del sustrato a una temperatura más baja. Los detalles son los siguientes: se coloca un sustrato de 6H-SiC o 4H-SiC en la parte superior del crisol ypolvo de SiC de alta purezaSe utiliza como materia prima de SiC y se coloca en el fondo delcrisol de grafito. El crisol se calienta a 1900-2100 ℃ mediante inducción de radiofrecuencia y la temperatura del sustrato se controla para que sea más baja que la fuente de SiC, formando un gradiente de temperatura axial dentro del crisol, de modo que el material de SiC sublimado pueda condensarse y cristalizar en el sustrato. para formar heteroepitaxial 3C-SiC.

Las ventajas de la epitaxia por sublimación se encuentran principalmente en dos aspectos: 1. La temperatura de la epitaxia es alta, lo que puede reducir los defectos del cristal; 2. Se puede grabar para obtener una superficie grabada a nivel atómico. Sin embargo, durante el proceso de crecimiento, la fuente de reacción no se puede ajustar y la relación silicio-carbono, el tiempo, diversas secuencias de reacción, etc. no se pueden cambiar, lo que resulta en una disminución en la controlabilidad del proceso de crecimiento.

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

La epitaxia de haz molecular (MBE) es una tecnología avanzada de crecimiento de películas delgadas, que es adecuada para el crecimiento de capas epitaxiales de 3C-SiC sobre sustratos de 4H-SiC o 6H-SiC. El principio básico de este método es: en un entorno de vacío ultraalto, mediante un control preciso del gas fuente, los elementos de la capa epitaxial en crecimiento se calientan para formar un haz atómico o molecular direccional e inciden sobre la superficie del sustrato calentado para crecimiento epitaxial. Las condiciones comunes para el cultivo de 3C-SiC.capas epitaxialesen sustratos de 4H-SiC o 6H-SiC son: en condiciones ricas en silicio, las fuentes de grafeno y carbono puro se excitan en sustancias gaseosas con un cañón de electrones, y se utiliza 1200-1350 ℃ como temperatura de reacción. El crecimiento heteroepitaxial de 3C-SiC se puede obtener a una tasa de crecimiento de 0,01-0,1 nms-1 [13].

Conclusión y perspectiva

A través del progreso tecnológico continuo y la investigación en profundidad de los mecanismos, se espera que la tecnología heteroepitaxial 3C-SiC desempeñe un papel más importante en la industria de los semiconductores y promueva el desarrollo de dispositivos electrónicos de alta eficiencia. Por ejemplo, continuar explorando nuevas técnicas y estrategias de crecimiento, como la introducción de una atmósfera de HCl para aumentar la tasa de crecimiento manteniendo una baja densidad de defectos, es la dirección de las investigaciones futuras; investigación en profundidad sobre el mecanismo de formación de defectos y el desarrollo de técnicas de caracterización más avanzadas, como el análisis de fotoluminiscencia y catodoluminiscencia, para lograr un control de defectos más preciso y optimizar las propiedades de los materiales; El rápido crecimiento de la película gruesa de 3C-SiC de alta calidad es la clave para satisfacer las necesidades de los dispositivos de alto voltaje, y se necesita más investigación para superar el equilibrio entre la tasa de crecimiento y la uniformidad del material; combinado con la aplicación de 3C-SiC en estructuras heterogéneas como SiC/GaN, explorará sus posibles aplicaciones en nuevos dispositivos como la electrónica de potencia, la integración optoelectrónica y el procesamiento de información cuántica.

Referencias:

[1] Nishino S, Hazuki Y, Matsunami H, et al. Deposición química de vapor de películas monocristalinas de β-SiC sobre sustrato de silicio con capa intermedia de SiC pulverizada [J]. Journal of The Electrochemical Society, 1980, 127(12):2674-2680.

[2] Ye Zhizhen, Wang Yadong, Huang Jingyun, et al. Investigación sobre el crecimiento a baja temperatura de películas delgadas de carburo de silicio a base de silicio [J] Journal of Vacuum Science and Technology, 2002, 022(001):58-60. .

[3] An Xia, Zhuang Huizhao, Li Huaixiang, et al. Preparación de películas delgadas de nano-SiC mediante pulverización catódica con magnetrón sobre sustrato de Si (111) [J] Journal of Shandong Normal University: Natural Science Edition, 2001: 382-384. ..

[4] Seki K, Alexander, Kozawa S, et al. Crecimiento selectivo de politipo de SiC mediante control de sobresaturación en el crecimiento de la solución [J]. Revista de crecimiento cristalino, 2012, 360:176-180.

[5] Chen Yao, Zhao Fuqiang, Zhu Bingxian, He Shuai. Descripción general del desarrollo de dispositivos de energía de carburo de silicio en el país y en el extranjero [J] Vehicle and Power Technology, 2020: 49-54.

[6] Li X, Wang G. Crecimiento CVD de capas de 3C-SiC sobre sustratos de 4H-SiC con morfología mejorada [J].Solid State Communications, 2023:371.

[7] Hou Kaiwen. Investigación sobre sustrato modelado de Si y su aplicación en el crecimiento de 3C-SiC [D] Universidad Tecnológica de Xi'an, 2018.

[8]Lars, Hiller, Thomas, et al. Efectos del hidrógeno en el grabado ECR de estructuras de mesa 3C-SiC (100) [J]. Foro de ciencia de materiales, 2014.

[9] Xu Qingfang Preparación de películas delgadas de 3C-SiC mediante deposición química de vapor con láser [D] Universidad Tecnológica de Wuhan, 2016.

[10] Foisal A R M, Nguyen T, Dinh T K, et al. Heteroestructura 3C-SiC/Si: una excelente plataforma para detectores sensibles a la posición basados ​​en el efecto fotovoltaico [J]. ACS Applied Materials & Interfaces, 2019: 40980-40987.

[11] Xin Bin. Crecimiento heteroepitaxial 3C/4H-SiC basado en el proceso CVD: caracterización y evolución de defectos [D].

[12] Dong Lin. Tecnología de crecimiento epitaxial de múltiples obleas de gran área y caracterización de las propiedades físicas del carburo de silicio [D].

[13] Diani M, Simon L, Kubler L, et al. Crecimiento de cristales del politipo 3C-SiC sobre sustrato 6H-SiC (0001) [J]. Revista de crecimiento cristalino, 2002, 235(1):95-102.