История развития 3C SiC

В качестве важной формыкарбид кремния, история развития3C-SiCотражает непрерывный прогресс науки о полупроводниковых материалах. В 1980-х годах Нишино и др. впервые получили тонкие пленки 3C-SiC толщиной 4 мкм на кремниевых подложках методом химического осаждения из паровой фазы (CVD) [1], что заложило основу технологии тонких пленок 3C-SiC.

1990-е годы были золотым веком исследований SiC. Cree Research Inc. выпустила чипы 6H-SiC и 4H-SiC в 1991 и 1994 годах соответственно, способствуя коммерциализацииПолупроводниковые приборы SiC. Технический прогресс этого периода заложил основу для последующих исследований и применения 3C-SiC.

В начале 21 века,отечественные тонкие пленки SiC на основе кремниятакже в определенной степени развито. Е Чжижен и др. получили тонкие пленки SiC на основе кремния методом CVD в низкотемпературных условиях в 2002 году [2]. В 2001 году Ан Ся и др. получены тонкие пленки SiC на основе кремния методом магнетронного распыления при комнатной температуре [3].

Однако из-за большой разницы между постоянной решетки Si и SiC (около 20%) плотность дефектов эпитаксиального слоя 3C-SiC относительно высока, особенно двойных дефектов, таких как DPB. Чтобы уменьшить несоответствие решеток, исследователи используют 6H-SiC, 15R-SiC или 4H-SiC на поверхности (0001) в качестве подложки для выращивания эпитаксиального слоя 3C-SiC и уменьшения плотности дефектов. Например, в 2012 году Секи, Казуаки и др. предложили технологию динамического контроля полиморфной эпитаксии, которая реализует полиморфный селективный рост 3C-SiC и 6H-SiC на поверхности затравки 6H-SiC (0001) путем контроля пересыщения [4-5]. В 2023 году такие исследователи, как Сюнь Ли, использовали метод CVD для оптимизации роста и процесса и успешно получили гладкий материал 3C-SiC.эпитаксиальный слойбез дефектов DPB на поверхности на подложке 4H-SiC при скорости роста 14 мкм/ч[6].

Кристаллическая структура и области применения 3C SiC

Среди многих политипов SiCD 3C-SiC является единственным кубическим политипом, также известным как β-SiC. В этой кристаллической структуре атомы Si и C существуют в решетке в соотношении один к одному, и каждый атом окружен четырьмя гетерогенными атомами, образующими тетраэдрическую структурную единицу с сильными ковалентными связями. Структурная особенность 3C-SiC состоит в том, что двухатомные слои Si-C неоднократно располагаются в порядке ABC-ABC-…, и каждая элементарная ячейка содержит три таких двухатомных слоя, что называется представлением C3; кристаллическая структура 3C-SiC показана на рисунке ниже:

Рисунок 1. Кристаллическая структура 3C-SiC.

В настоящее время кремний (Si) является наиболее часто используемым полупроводниковым материалом для силовых устройств. Однако из-за производительности кремния возможности силовых устройств на основе кремния ограничены. По сравнению с 4H-SiC и 6H-SiC, 3C-SiC имеет самую высокую теоретическую подвижность электронов при комнатной температуре (1000 см·В-1·с-1) и имеет больше преимуществ в приложениях МОП-устройств. В то же время 3C-SiC также обладает превосходными свойствами, такими как высокое напряжение пробоя, хорошая теплопроводность, высокая твердость, широкая запрещенная зона, устойчивость к высоким температурам и радиационная стойкость. Таким образом, он имеет большой потенциал в электронике, оптоэлектронике, датчиках и приложениях в экстремальных условиях, способствуя развитию и инновациям соответствующих технологий и демонстрируя широкий потенциал применения во многих областях:

Во-первых: высокое напряжение пробоя и высокая подвижность электронов 3C-SiC делают его идеальным выбором для производства силовых устройств, таких как MOSFET, особенно в условиях высокого напряжения, высокой частоты и высоких температур [7]. Во-вторых: применение 3C-SiC в наноэлектронике и микроэлектромеханических системах (МЭМС) выгодно благодаря его совместимости с кремниевыми технологиями, что позволяет создавать наноразмерные структуры, такие как наноэлектроника и наноэлектромеханические устройства [8]. В-третьих: как широкозонный полупроводниковый материал 3C-SiC подходит для изготовлениясиние светодиоды(светодиоды). Его применение в освещении, технологиях отображения и лазерах привлекло внимание благодаря высокой светоотдаче и легкому легированию [9]. Четвертое: в то же время 3C-SiC используется для изготовления позиционно-чувствительных детекторов, особенно лазерных точечных позиционно-чувствительных детекторов на основе бокового фотоэлектрического эффекта, которые показывают высокую чувствительность в условиях нулевого смещения и подходят для точного позиционирования [10] .

3. Метод приготовления гетероэпитаксии 3C SiC.

Основные методы выращивания гетероэпитаксии 3C-SiC включают:химическое осаждение из паровой фазы (CVD), сублимационная эпитаксия (СЭ), жидкофазная эпитаксия (ЖФЭ), молекулярно-лучевая эпитаксия (МЛЭ), магнетронное распыление и т. д. CVD является предпочтительным методом эпитаксии 3C-SiC из-за его управляемости и адаптируемости (например, температуры, потока газа, давления в камере и времени реакции, которые могут оптимизировать качество эпитаксиальный слой).

Химическое осаждение из паровой фазы (CVD). Сложный газ, содержащий элементы Si и C, подается в реакционную камеру, нагревается и разлагается при высокой температуре, а затем атомы Si и атомы C осаждаются на подложку Si, или 6H-SiC, 15R-. SiC, подложка 4H-SiC [11]. Температура этой реакции обычно составляет 1300-1500 ℃. Обычные источники Si включают SiH4, TCS, MTS и т. д., а источники C в основном включают C2H4, C3H8 и т. д., с H2 в качестве газа-носителя. Процесс роста в основном включает в себя следующие этапы: 1. Источник газофазной реакции транспортируется в зону осаждения основным потоком газа. 2. Газофазная реакция происходит в пограничном слое с образованием тонких пленочных предшественников и побочных продуктов. 3. Процесс осаждения, адсорбции и крекинга предшественника. 4. Адсорбированные атомы мигрируют и реконструируются на поверхности подложки. 5. Адсорбированные атомы зарождаются и растут на поверхности подложки. 6. Массовый транспорт отходящего газа после реакции в зону основного газового потока и вывозится из реакционной камеры. На рисунке 2 представлена ​​схематическая диаграмма сердечно-сосудистых заболеваний [12].

Рисунок 2. Принципиальная схема CVD.

Метод сублимационной эпитаксии (SE): на рисунке 3 представлена ​​экспериментальная структурная диаграмма метода SE для получения 3C-SiC. Основными этапами являются разложение и сублимация источника SiC в зоне высоких температур, транспортировка сублиматов, а также реакция и кристаллизация сублиматов на поверхности подложки при более низкой температуре. Подробности следующие: подложка 6H-SiC или 4H-SiC помещается на верхнюю часть тигля ипорошок карбида кремния высокой чистотыиспользуется в качестве сырья SiC и помещается в нижнюю частьграфитовый тигель. Тигель нагревается до 1900-2100 ℃ за счет радиочастотной индукции, а температура подложки контролируется так, чтобы она была ниже, чем у источника SiC, образуя осевой градиент температуры внутри тигля, так что сублимированный материал SiC может конденсироваться и кристаллизоваться на подложке. с образованием гетероэпитаксиального слоя 3C-SiC.

Преимущества сублимационной эпитаксии заключаются в основном в двух аспектах: 1. Высокая температура эпитаксии, что позволяет уменьшить дефекты кристаллов; 2. Его можно травить для получения травленной поверхности на атомном уровне. Однако в процессе роста невозможно регулировать источник реакции, а также изменять соотношение кремний-углерод, время, различные последовательности реакций и т. д., что приводит к снижению управляемости процессом роста.

Рисунок 3. Принципиальная схема метода SE для выращивания эпитаксии 3C-SiC.

Молекулярно-лучевая эпитаксия (МЛЭ) — это передовая технология выращивания тонких пленок, которая подходит для выращивания эпитаксиальных слоев 3C-SiC на подложках 4H-SiC или 6H-SiC. Основной принцип этого метода заключается в том, что в условиях сверхвысокого вакуума за счет точного контроля исходного газа элементы растущего эпитаксиального слоя нагреваются с образованием направленного атомного или молекулярного пучка и падают на нагретую поверхность подложки для эпитаксиальный рост. Общие условия выращивания 3C-SiCэпитаксиальные слоина подложках 4H-SiC или 6H-SiC: в условиях богатого кремнием источники графена и чистого углерода превращаются в газообразные вещества с помощью электронной пушки, а в качестве температуры реакции используется 1200-1350 ℃. Гетероэпитаксиальный рост 3C-SiC может быть получен при скорости роста 0,01-0,1 нм-1 [13].

Заключение и перспективы

Ожидается, что благодаря постоянному технологическому прогрессу и углубленным исследованиям механизмов гетероэпитаксиальная технология 3C-SiC будет играть более важную роль в полупроводниковой промышленности и способствовать разработке высокоэффективных электронных устройств. Например, направлением будущих исследований является продолжение изучения новых методов и стратегий роста, таких как введение атмосферы HCl для увеличения скорости роста при сохранении низкой плотности дефектов; углубленные исследования механизма образования дефектов и разработка более совершенных методов определения характеристик, таких как фотолюминесцентный и катодолюминесцентный анализ, для достижения более точного контроля дефектов и оптимизации свойств материала; быстрый рост высококачественной толстой пленки 3C-SiC является ключом к удовлетворению потребностей высоковольтных устройств, и необходимы дальнейшие исследования для преодоления баланса между скоростью роста и однородностью материала; в сочетании с применением 3C-SiC в гетерогенных структурах, таких как SiC/GaN, изучить его потенциальное применение в новых устройствах, таких как силовая электроника, оптоэлектронная интеграция и квантовая обработка информации.

Ссылки:

[1] Нишино С., Хадзуки Ю., Мацунами Х. и др. Химическое осаждение из паровой фазы монокристаллических пленок β-SiC на кремниевой подложке с напыленным промежуточным слоем SiC [J]. Журнал Электрохимического общества, 1980, 127(12):2674-2680.

[2] Е Чжичжэнь, Ван Ядун, Хуан Цзинъюнь и др. Исследование низкотемпературного выращивания тонких пленок карбида кремния на основе кремния [J Journal of Vacuum Science and Technology, 2002, 022(001):58-60. .

[3] Ань Ся, Чжуан Хуйчжао, Ли Хуайсян и др. Получение тонких пленок нано-SiC методом магнетронного распыления на подложку Si (111) [J Journal of Shandong Normal University: Natural Science Edition, 2001: 382-384]. ..

[4] Секи К., Александр, Козава С. и др. Политипно-селективный рост SiC путем контроля пересыщения при выращивании в растворе [J]. Журнал Crystal Growth, 2012, 360:176-180.

[5] Чэнь Яо, Чжао Фуцян, Чжу Бинсян, Хэ Шуай Обзор развития силовых устройств из карбида кремния в стране и за рубежом [J].

[6] Ли X, Ван Г. CVD-выращивание слоев 3C-SiC на подложках 4H-SiC с улучшенной морфологией [J].Solid State Communications, 2023:371.

[7] Хоу Кайвэнь. Исследование подложки с рисунком Si и ее применения в выращивании 3C-SiC [D], Сианьский технологический университет, 2018.

[8] Ларс, Хиллер, Томас и др. Водородные эффекты при ЭЦР-травлении меза-структур 3C-SiC (100) [J]. Форум наук о материалах, 2014.

[9] Сюй Цинфан. Получение тонких пленок 3C-SiC методом лазерного химического осаждения из паровой фазы [D].

[10] Фойсал АРМ, Нгуен Т, Динь ТК и др. Гетероструктура 3C-SiC/Si: отличная платформа для позиционно-чувствительных детекторов на основе фотоэлектрического эффекта [J].ACS Applied Materials & Interfaces, 2019: 40980-40987.

[11] Синь Бин. Гетероэпитаксиальный рост 3C/4H-SiC на основе процесса CVD: характеристика дефектов и эволюция [D].

[12] Донг Линь. Технология эпитаксиального выращивания нескольких пластин большой площади и характеристика физических свойств карбида кремния [D], Университет Китайской академии наук, 2014.

[13] Диани М., Саймон Л., Кублер Л. и др. Выращивание кристаллов политипа 3C-SiC на подложке 6H-SiC(0001)[J]. Журнал роста кристаллов, 2002, 235(1):95-102.