Heteroepitaksija 3C-SiC: pregled

1. Zgodovinski razvoj 3C-SiC

Razvoj 3C-SiC, pomembnega politipa silicijevega karbida, odraža stalen napredek znanosti o polprevodniških materialih. V osemdesetih letih prejšnjega stoletja sta Nishino et al. prvi dosegel 4 μm debel 3C-SiC film na silicijevem substratu z uporabo kemičnega naparjevanja (CVD)[1], s čimer je postavil temelje za tehnologijo tankega filma 3C-SiC.

Devetdeseta leta prejšnjega stoletja so bila zlata doba za raziskave SiC. Podjetje Cree Research Inc. je leta 1991 in 1994 lansiralo čipe 6H-SiC in 4H-SiC, kar je spodbudilo komercializacijo polprevodniških naprav SiC. Ta tehnološki napredek je postavil temelje za nadaljnje raziskave in uporabo 3C-SiC.

V zgodnjem 21. stoletju so SiC filmi na osnovi silicija občutno napredovali tudi na Kitajskem. Ye Zhizhen et al. leta 2002 so izdelali filme SiC na silicijevih substratih s CVD pri nizkih temperaturah[2], medtem ko sta An Xia et al. so leta 2001 dosegli podobne rezultate z uporabo magnetronskega razprševanja pri sobni temperaturi[3].

Vendar pa je velika neusklajenost mreže med Si in SiC (približno 20 %) povzročila visoko gostoto napak v epitaksialni plasti 3C-SiC, zlasti meje dvojnega pozicioniranja (DPB). Da bi to ublažili, so se raziskovalci odločili za substrate, kot so 6H-SiC, 15R-SiC ali 4H-SiC z orientacijo (0001) za rast epitaksialnih plasti 3C-SiC, s čimer so zmanjšali gostoto napak. Na primer, leta 2012 so Seki, Kazuaki et al. predlagal tehniko nadzora kinetičnega polimorfizma, s katero je dosegel selektivno rast 3C-SiC in 6H-SiC na semenih 6H-SiC(0001) z nadzorovanjem prenasičenosti [4-5]. Leta 2023 sta Xun Li et al. uspešno pridobili gladke epitaksialne plasti 3C-SiC brez DPB na substratih 4H-SiC z uporabo optimizirane CVD rasti s hitrostjo 14 μm/h[6].

2. Kristalna struktura in uporaba 3C-SiC

Med številnimi politipi SiC je 3C-SiC, znan tudi kot β-SiC, edini kubični politip. V tej kristalni strukturi atomi Si in C obstajajo v razmerju ena proti ena in tvorijo tetraedrično enoto celice z močnimi kovalentnimi vezmi. Za strukturo so značilni dvosloji Si-C, razporejeni v zaporedju ABC-ABC-…, pri čemer vsaka enota celice vsebuje tri takšne dvosloje, označene z oznako C3. Slika 1 prikazuje kristalno strukturo 3C-SiC.

                                                                                                                                                                           Slika 1. Kristalna struktura 3C-SiC

Trenutno je silicij (Si) najbolj razširjen polprevodniški material za električne naprave. Vendar njegove inherentne omejitve omejujejo njegovo delovanje. V primerjavi s 4H-SiC in 6H-SiC ima 3C-SiC največjo teoretično mobilnost elektronov pri sobni temperaturi (1000 cm2·V-1·s-1), zaradi česar je ugodnejši za aplikacije MOSFET. Poleg tega je zaradi visoke prebojne napetosti, odlične toplotne prevodnosti, visoke trdote, širokega pasovnega razmika, odpornosti na visoke temperature in odpornosti na sevanje 3C-SiC zelo obetaven za aplikacije v elektroniki, optoelektroniki, senzorjih in ekstremnih okoljih:

Visoko zmogljive, visokofrekvenčne in visokotemperaturne aplikacije: zaradi visoke prebojne napetosti in visoke mobilnosti elektronov je 3C-SiC idealen za proizvodnjo močnostnih naprav, kot so MOSFET-ji, zlasti v zahtevnih okoljih [7].

Nanoelektronika in mikroelektromehanski sistemi (MEMS): Njegova združljivost s silicijevo tehnologijo omogoča izdelavo nanometrskih struktur, kar omogoča aplikacije v nanoelektroniki in napravah MEMS[8].

Optoelektronika:Kot širokopasovni polprevodniški material je 3C-SiC primeren za modre svetleče diode (LED). Zaradi visoke svetlobne učinkovitosti in enostavnosti dopinga je privlačen za uporabo v razsvetljavi, zaslonskih tehnologijah in laserjih [9].

Senzorji:3C-SiC se uporablja v pozicijsko občutljivih detektorjih, zlasti laserskih točkovnih pozicijsko občutljivih detektorjih, ki temeljijo na lateralnem fotovoltaičnem učinku. Ti detektorji kažejo visoko občutljivost v pogojih ničelne pristranskosti, zaradi česar so primerni za aplikacije natančnega pozicioniranja[10].

3. Metode priprave za 3C-SiC heteroepitaksijo

Običajne metode za heteroepitaksijo 3C-SiC vključujejo nanašanje s kemičnim naparjevanjem (CVD), sublimacijsko epitaksijo (SE), epitaksijo s tekočo fazo (LPE), epitaksijo z molekularnim žarkom (MBE) in magnetronsko razprševanje. CVD je prednostna metoda za epitaksijo 3C-SiC zaradi svoje možnosti nadzora in prilagodljivosti v smislu temperature, pretoka plina, tlaka v komori in reakcijskega časa, kar omogoča optimizacijo kakovosti epitaksialne plasti.

Kemično naparjanje (CVD):Plinaste spojine, ki vsebujejo Si in C, se vnesejo v reakcijsko komoro in segrejejo na visoke temperature, kar povzroči njihovo razgradnjo. Atomi Si in C se nato odložijo na substrat, običajno Si, 6H-SiC, 15R-SiC ali 4H-SiC [11]. Ta reakcija običajno poteka med 1300-1500 °C. Pogosti viri Si vključujejo SiH4, TCS in MTS, medtem ko sta vira C predvsem C2H4 in C3H8, s H2 kot nosilnim plinom. Slika 2 prikazuje shemo procesa CVD[12].

                                                                                                                                                               Slika 2. Shema procesa CVD

Sublimacijska epitaksija (SE):Pri tej metodi je substrat 6H-SiC ali 4H-SiC postavljen na vrh lončka, s prahom SiC visoke čistosti kot izvornim materialom na dnu. Lonček se segreje na 1900–2100 °C z radiofrekvenčno indukcijo, pri čemer se temperatura podlage vzdržuje nižja od temperature vira, da se ustvari aksialni temperaturni gradient. To omogoča, da sublimirani SiC kondenzira in kristalizira na substratu ter tvori heteroepitaksijo 3C-SiC.

Epitaksija z molekularnim žarkom (MBE):Ta napredna tehnika rasti tankega filma je primerna za gojenje epitaksialnih plasti 3C-SiC na podlagah 4H-SiC ali 6H-SiC. V ultravisokem vakuumu natančen nadzor izvornih plinov omogoča tvorbo usmerjenih atomskih ali molekularnih žarkov sestavnih elementov. Ti žarki so usmerjeni proti površini segrete podlage za epitaksialno rast.

4. Zaključek in obeti

Z nenehnim tehnološkim napredkom in poglobljenimi mehanističnimi študijami je 3C-SiC heteroepitaksija pripravljena igrati vse pomembnejšo vlogo v industriji polprevodnikov in spodbujati razvoj energetsko učinkovitih elektronskih naprav. Raziskovanje novih tehnik rasti, kot je uvedba atmosfere HCl za povečanje stopnje rasti ob ohranjanju nizke gostote napak, je obetavna pot za prihodnje raziskave. Nadaljnje raziskovanje mehanizmov nastajanja napak in razvoj naprednih tehnik karakterizacije bo omogočilo natančno kontrolo napak in optimizirane lastnosti materiala. Hitra rast visokokakovostnih, debelih filmov 3C-SiC je ključnega pomena za izpolnjevanje zahtev visokonapetostnih naprav, kar zahteva nadaljnje raziskave za obravnavo ravnovesja med hitrostjo rasti in enotnostjo materiala. Z izkoriščanjem aplikacij 3C-SiC v heterostrukturah, kot je SiC/GaN, je mogoče v celoti raziskati njegov potencial v novih napravah, kot so močnostna elektronika, optoelektronska integracija in kvantna obdelava informacij.

Reference:

[1] Nishino S, Hazuki Y, Matsunami H, et al. Kemično naparjanje monokristalnih filmov β-SiC na silicijev substrat z napršeno vmesno plastjo SiC [J]. Journal of The Electrochemical Society, 1980, 127(12):2674-2680.

[2] Ye Zhizhen, Wang Yadong, Huang Jingyun, et al. Raziskave o nizkotemperaturni rasti silicijevega karbida [J]. Journal of Vacuum Science and Technology, 2002, 022(001):58-60. .

[3] An Xia, Zhuang Huizhao, Li Huaixiang, et al. Priprava nano-SiC tankih filmov z magnetronskim razprševanjem na (111) Si substratu [J]. Journal of Shandong Normal University, 2001: 382-384 ..

[4] Seki K, Alexander, Kozawa S, et al. Politipsko selektivna rast SiC z nadzorom prenasičenosti pri rasti raztopine [J]. Journal of Crystal Growth, 2012, 360: 176-180.

[5] Chen Yao, Zhao Fuqiang, Zhu Bingxian, He Shuai Pregled razvoja naprav iz silicijevega karbida doma in v tujini [J].

[6] Li X, Wang G. CVD rast plasti 3C-SiC na substratih 4H-SiC z izboljšano morfologijo [J].Solid State Communications, 2023:371.

[7] Hou Kaiwen Raziskave substrata z vzorcem Si in njegove uporabe pri rasti 3C-SiC [D]. Tehnološka univerza Xi'an.

[8]Lars, Hiller, Thomas, et al. Učinki vodika pri ECR-jedkanju meza struktur 3C-SiC(100) [J]. Forum znanosti o materialih, 2014.

[9] Xu Qingfang Priprava tankih plasti 3C-SiC z laserskim kemičnim naparjevanjem [D] Tehnološka univerza Wuhan, 2016.

[10] Foisal ARM, Nguyen T, Dinh TK, et al.3C-SiC/Si heterostruktura: odlična platforma za pozicijsko občutljive detektorje, ki temeljijo na fotovoltaičnem učinku [J]. ACS Applied Materials & Interfaces, 2019: 40980-40987.

[11] Xin Bin. 3C/4H-SiC heteroepitaksialna rast na podlagi postopka CVD: karakterizacija in razvoj napak [D]. Xi'an University of Electronic Science and Technology.

[12] Dong Lin. Tehnologija epitaksialne rasti z velikimi površinami in karakterizacija fizikalnih lastnosti silicijevega karbida [D]. Univerza Kitajske akademije znanosti, 2014.

[13] Diani M, Simon L, Kubler L, et al. Kristalna rast politipa 3C-SiC na substratu 6H-SiC(0001) [J]. Journal of Crystal Growth, 2002, 235(1):95-102.