Heteroepitaxy of 3C-SiC: An Overview

1. Ιστορική εξέλιξη του 3C-SiC

Η ανάπτυξη του 3C-SiC, ενός σημαντικού πολυτύπου καρβιδίου του πυριτίου, αντανακλά τη συνεχή πρόοδο της επιστήμης των υλικών ημιαγωγών. Στη δεκαετία του 1980, οι Nishino et al. πέτυχε για πρώτη φορά ένα φιλμ 3C-SiC πάχους 4 μm σε ένα υπόστρωμα πυριτίου χρησιμοποιώντας χημική εναπόθεση ατμού (CVD)[1], θέτοντας τα θεμέλια για την τεχνολογία λεπτής μεμβράνης 3C-SiC.

Η δεκαετία του 1990 σηματοδότησε μια χρυσή εποχή για την έρευνα για το SiC. Η κυκλοφορία των τσιπ 6H-SiC και 4H-SiC από την Cree Research Inc. το 1991 και το 1994, αντίστοιχα, ώθησε την εμπορευματοποίηση συσκευών ημιαγωγών SiC. Αυτή η τεχνολογική πρόοδος έθεσε τις βάσεις για μετέπειτα έρευνα και εφαρμογές του 3C-SiC.

Στις αρχές του 21ου αιώνα, τα φιλμ SiC με βάση το πυρίτιο σημείωσαν επίσης σημαντική πρόοδο στην Κίνα. Οι Ye Zhizhen et al. κατασκεύασε φιλμ SiC σε υποστρώματα πυριτίου χρησιμοποιώντας CVD σε χαμηλές θερμοκρασίες το 2002[2], ενώ οι An Xia et al. πέτυχε παρόμοια αποτελέσματα χρησιμοποιώντας ψεκασμό μαγνητρονίων σε θερμοκρασία δωματίου το 2001[3].

Ωστόσο, η μεγάλη αναντιστοιχία πλέγματος μεταξύ Si και SiC (περίπου 20%) οδήγησε σε υψηλή πυκνότητα ελαττώματος στο επιταξιακό στρώμα 3C-SiC, ιδιαίτερα στα όρια διπλής τοποθέτησης (DPBs). Για να μετριαστεί αυτό, οι ερευνητές επέλεξαν υποστρώματα όπως 6H-SiC, 15R-SiC ή 4H-SiC με προσανατολισμό (0001) για την ανάπτυξη επιταξιακών στρωμάτων 3C-SiC, μειώνοντας έτσι την πυκνότητα του ελαττώματος. Για παράδειγμα, το 2012, οι Seki, Kazuaki et al. πρότεινε μια τεχνική ελέγχου κινητικού πολυμορφισμού, επιτυγχάνοντας επιλεκτική ανάπτυξη 3C-SiC και 6H-SiC σε σπόρους 6H-SiC(0001) ελέγχοντας τον υπερκορεσμό[4-5]. Το 2023, οι Xun Li et al. λήφθηκαν με επιτυχία λείες επιταξιακές στρώσεις 3C-SiC χωρίς DPB σε υποστρώματα 4H-SiC χρησιμοποιώντας βελτιστοποιημένη ανάπτυξη CVD με ρυθμό 14 μm/h[6].

2. Κρυσταλλική Δομή και Εφαρμογές του 3C-SiC

Μεταξύ των πολυάριθμων πολυτύπων SiC, το 3C-SiC, γνωστό και ως β-SiC, είναι ο μόνος κυβικός πολύτυπος. Σε αυτήν την κρυσταλλική δομή, τα άτομα Si και C υπάρχουν σε αναλογία ένα προς ένα, σχηματίζοντας ένα τετραεδρικό μοναδιαίο κύτταρο με ισχυρούς ομοιοπολικούς δεσμούς. Η δομή χαρακτηρίζεται από διπλές στοιβάδες Si-C διατεταγμένες σε μια ακολουθία ABC-ABC-…, με κάθε κελί μονάδας να περιέχει τρεις τέτοιες διπλές στοιβάδες, που υποδηλώνονται με τον συμβολισμό C3. Το Σχήμα 1 απεικονίζει την κρυσταλλική δομή του 3C-SiC.

                                                                                                                                                                           Σχήμα 1. Κρυσταλλική δομή του 3C-SiC

Επί του παρόντος, το πυρίτιο (Si) είναι το πιο ευρέως χρησιμοποιούμενο υλικό ημιαγωγών για συσκευές ισχύος. Ωστόσο, οι εγγενείς περιορισμοί του περιορίζουν την απόδοσή του. Σε σύγκριση με το 4H-SiC και το 6H-SiC, το 3C-SiC διαθέτει την υψηλότερη θεωρητική κινητικότητα ηλεκτρονίων σε θερμοκρασία δωματίου (1000 cm2·V-1·s-1), καθιστώντας το πιο πλεονεκτικό για εφαρμογές MOSFET. Επιπλέον, η υψηλή τάση διάσπασης, η εξαιρετική θερμική αγωγιμότητα, η υψηλή σκληρότητα, το ευρύ διάκενο ζώνης, η αντίσταση σε υψηλή θερμοκρασία και η αντίσταση στην ακτινοβολία καθιστούν το 3C-SiC πολλά υποσχόμενο για εφαρμογές σε ηλεκτρονικά, οπτοηλεκτρονικά, αισθητήρες και ακραία περιβάλλοντα:

Εφαρμογές υψηλής ισχύος, υψηλής συχνότητας και υψηλής θερμοκρασίας: Η υψηλή τάση διάσπασης και η υψηλή κινητικότητα ηλεκτρονίων του 3C-SiC το καθιστούν ιδανικό για την κατασκευή συσκευών ισχύος όπως τα MOSFET, ιδιαίτερα σε απαιτητικά περιβάλλοντα[7].

Νανοηλεκτρονικά και Μικροηλεκτρομηχανικά Συστήματα (MEMS): Η συμβατότητά του με την τεχνολογία πυριτίου επιτρέπει την κατασκευή δομών νανοκλίμακας, επιτρέποντας εφαρμογές σε συσκευές νανοηλεκτρονικής και MEMS[8].

Οπτοηλεκτρονική:Ως υλικό ημιαγωγών ευρείας ζώνης, το 3C-SiC είναι κατάλληλο για διόδους εκπομπής μπλε φωτός (LED). Η υψηλή φωτεινή του απόδοση και η ευκολία στο ντόπινγκ το καθιστούν ελκυστικό για εφαρμογές σε φωτισμό, τεχνολογίες οθόνης και λέιζερ[9].

Αισθητήρες:Το 3C-SiC χρησιμοποιείται σε ανιχνευτές που είναι ευαίσθητοι στη θέση, ιδιαίτερα σε ανιχνευτές λέιζερ που είναι ευαίσθητοι στη θέση με βάση το πλευρικό φωτοβολταϊκό φαινόμενο. Αυτοί οι ανιχνευτές παρουσιάζουν υψηλή ευαισθησία υπό συνθήκες μηδενικής προκατάληψης, καθιστώντας τους κατάλληλους για εφαρμογές ακριβείας εντοπισμού θέσης[10].

3. Μέθοδοι Παρασκευής για Ετεροεπιταξία 3C-SiC

Οι συνήθεις μέθοδοι για την ετεροεπιταξία 3C-SiC περιλαμβάνουν την εναπόθεση χημικών ατμών (CVD), την επιταξία εξάχνωσης (SE), την επιταξία υγρής φάσης (LPE), την επιταξία μοριακής δέσμης (MBE) και την επιμετάλλωση μαγνητρονίων. Η CVD είναι η προτιμώμενη μέθοδος για την επιταξία 3C-SiC λόγω της δυνατότητας ελέγχου και προσαρμοστικότητας όσον αφορά τη θερμοκρασία, τη ροή αερίου, την πίεση θαλάμου και τον χρόνο αντίδρασης, επιτρέποντας τη βελτιστοποίηση της ποιότητας του επιταξιακού στρώματος.

Εναπόθεση χημικών ατμών (CVD):Αέριες ενώσεις που περιέχουν Si και C εισάγονται σε θάλαμο αντίδρασης και θερμαίνονται σε υψηλές θερμοκρασίες, οδηγώντας στην αποσύνθεσή τους. Τα άτομα Si και C στη συνέχεια εναποτίθενται σε ένα υπόστρωμα, τυπικά Si, 6H-SiC, 15R-SiC ή 4H-SiC [11]. Αυτή η αντίδραση τυπικά συμβαίνει μεταξύ 1300-1500°C. Οι κοινές πηγές Si περιλαμβάνουν SiH4, TCS και MTS, ενώ οι πηγές C είναι κυρίως C2H4 και C3H8, με το H2 ως το φέρον αέριο. Το σχήμα 2 απεικονίζει μια σχηματική εικόνα της διαδικασίας CVD[12].

                                                                                                                                                               Εικόνα 2. Σχηματική της διαδικασίας CVD

Επιτάξιος Εξάχνωσης (SE):Σε αυτή τη μέθοδο, ένα υπόστρωμα 6H-SiC ή 4H-SiC τοποθετείται στην κορυφή ενός χωνευτηρίου, με σκόνη SiC υψηλής καθαρότητας ως υλικό πηγής στο κάτω μέρος. Το χωνευτήριο θερμαίνεται στους 1900-2100°C μέσω επαγωγής ραδιοσυχνοτήτων, διατηρώντας τη θερμοκρασία του υποστρώματος χαμηλότερη από τη θερμοκρασία της πηγής για να δημιουργηθεί μια αξονική κλίση θερμοκρασίας. Αυτό επιτρέπει στο εξαχνωμένο SiC να συμπυκνωθεί και να κρυσταλλωθεί στο υπόστρωμα, σχηματίζοντας την ετεροεπιταξία 3C-SiC.

Επιταξία μοριακής δέσμης (MBE):Αυτή η προηγμένη τεχνική ανάπτυξης λεπτής μεμβράνης είναι κατάλληλη για την ανάπτυξη επιταξιακών στρωμάτων 3C-SiC σε υποστρώματα 4H-SiC ή 6H-SiC. Υπό εξαιρετικά υψηλό κενό, ο ακριβής έλεγχος των αερίων της πηγής επιτρέπει τον σχηματισμό κατευθυντικών ατομικών ή μοριακών δεσμών των συστατικών στοιχείων. Αυτές οι δοκοί κατευθύνονται προς τη θερμαινόμενη επιφάνεια του υποστρώματος για επιταξιακή ανάπτυξη.

4. Συμπέρασμα και Outlook

Με συνεχείς τεχνολογικές εξελίξεις και σε βάθος μηχανιστικές μελέτες, η ετεροεπιταξία 3C-SiC είναι έτοιμη να διαδραματίσει ολοένα και πιο ζωτικό ρόλο στη βιομηχανία ημιαγωγών, οδηγώντας στην ανάπτυξη ενεργειακά αποδοτικών ηλεκτρονικών συσκευών. Η διερεύνηση νέων τεχνικών ανάπτυξης, όπως η εισαγωγή ατμοσφαιρών HCl για την ενίσχυση των ρυθμών ανάπτυξης διατηρώντας χαμηλές πυκνότητες ελαττωμάτων, είναι μια πολλά υποσχόμενη οδός για μελλοντική έρευνα. Η περαιτέρω διερεύνηση των μηχανισμών σχηματισμού ελαττωμάτων και η ανάπτυξη προηγμένων τεχνικών χαρακτηρισμού θα επιτρέψει τον ακριβή έλεγχο των ελαττωμάτων και τις βελτιστοποιημένες ιδιότητες του υλικού. Η ταχεία ανάπτυξη υψηλής ποιότητας, παχύρρευστων μεμβρανών 3C-SiC είναι ζωτικής σημασίας για την κάλυψη των απαιτήσεων των συσκευών υψηλής τάσης, που απαιτεί περαιτέρω έρευνα για την αντιμετώπιση της ισορροπίας μεταξύ του ρυθμού ανάπτυξης και της ομοιομορφίας των υλικών. Αξιοποιώντας τις εφαρμογές του 3C-SiC σε ετεροδομές όπως το SiC/GaN, οι δυνατότητές του σε νέες συσκευές όπως ηλεκτρονικά ισχύος, οπτοηλεκτρονική ολοκλήρωση και κβαντική επεξεργασία πληροφοριών μπορούν να διερευνηθούν πλήρως.

Παραπομπές:

[1] Nishino S, Hazuki Y, Matsunami H, et al. Chemical Vapor Deposition of Single Crystalline β-SiC Films on Silicon Substrate with Sputtered SiC Intermediate Layer[J].Journal of The Electrochemical Society, 1980, 127(12):2674-2680.

[2] Ye Zhizhen, Wang Yadong, Huang Jingyun, κ.ά. .

[3] An Xia, Zhuang Huizhao, Li Huaixiang, κ.ά ..

[4] Seki K, Alexander, Kozawa S, et al. Πολυτυπική εκλεκτική ανάπτυξη SiC με έλεγχο υπερκορεσμού σε ανάπτυξη διαλύματος[J]. Journal of Crystal Growth, 2012, 360:176-180.

[5] Chen Yao, Zhao Fuqiang, Zhu Bingxian, He Shuai Επισκόπηση της ανάπτυξης συσκευών ισχύος από καρβίδιο πυριτίου στο εσωτερικό και στο εξωτερικό [J] Τεχνολογία οχημάτων και ισχύος, 2020: 49-54.

[6] Li X, Wang G .CVD ανάπτυξη στρωμάτων 3C-SiC σε υποστρώματα 4H-SiC με βελτιωμένη μορφολογία[J].Solid State Communications, 2023:371.

[7] Έρευνα Hou Kaiwen για το υπόστρωμα με μοτίβο Si και την εφαρμογή του στην ανάπτυξη 3C-SiC [D].

[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 Προετοιμασία λεπτών μεμβρανών 3C-SiC με χημική εναπόθεση ατμών [D].

[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: 40987.

[11] Ετεροεπιταξιακή ανάπτυξη Xin Bin 3C/4H-SiC με βάση τη διαδικασία CVD: χαρακτηρισμός ελαττώματος και εξέλιξη [D].

[12] Dong Lin Τεχνολογία επιταξιακής ανάπτυξης πολλαπλών βαφών και χαρακτηρισμός φυσικών ιδιοτήτων του καρβιδίου του πυριτίου [D], 2014.

[13] Diani M, Simon L, Kubler L, et al. Κρυσταλλική ανάπτυξη πολυτύπου 3C-SiC σε υπόστρωμα 6H-SiC(0001)[J]. Journal of Crystal Growth, 2002, 235(1):95-102.