A história do desenvolvimento do 3C SiC

Como uma forma importante decarboneto de silício, a história do desenvolvimento de3C-SiCreflete o progresso contínuo da ciência dos materiais semicondutores. Na década de 1980, Nishino et al. obteve pela primeira vez filmes finos 3C-SiC de 4um em substratos de silício por deposição química de vapor (CVD) [1], que lançou as bases para a tecnologia de filmes finos 3C-SiC.

A década de 1990 foi a era de ouro da pesquisa sobre SiC. lançou chips 6H-SiC e 4H-SiC em 1991 e 1994, respectivamente, promovendo a comercialização deDispositivos semicondutores SiC. O progresso tecnológico durante este período lançou as bases para a subsequente pesquisa e aplicação do 3C-SiC.

No início do século 21,filmes finos de SiC à base de silício domésticostambém se desenvolveu até certo ponto. Ye Zhizhen et al. preparou filmes finos de SiC à base de silício por CVD sob condições de baixa temperatura em 2002 [2]. Em 2001, An Xia et al. preparou filmes finos de SiC à base de silício por pulverização catódica com magnetron à temperatura ambiente [3].

No entanto, devido à grande diferença entre a constante de rede do Si e a do SiC (cerca de 20%), a densidade do defeito da camada epitaxial 3C-SiC é relativamente alta, especialmente o defeito duplo como o DPB. A fim de reduzir a incompatibilidade de rede, os pesquisadores usam 6H-SiC, 15R-SiC ou 4H-SiC na superfície (0001) como substrato para crescer a camada epitaxial 3C-SiC e reduzir a densidade do defeito. Por exemplo, em 2012, Seki, Kazuaki et al. propuseram a tecnologia de controle dinâmico de epitaxia polimórfica, que realiza o crescimento seletivo polimórfico de 3C-SiC e 6H-SiC na semente de superfície 6H-SiC (0001), controlando a supersaturação [4-5]. Em 2023, pesquisadores como Xun Li usaram o método CVD para otimizar o crescimento e o processo e obtiveram com sucesso um 3C-SiC suavecamada epitaxialsem defeitos de DPB na superfície em um substrato 4H-SiC a uma taxa de crescimento de 14um/h[6].

Crystal Structure and Application Fields of 3C SiC

Entre muitos politipos de SiCD, o 3C-SiC é o único politipo cúbico, também conhecido como β-SiC. Nesta estrutura cristalina, os átomos de Si e C existem em uma proporção de um para um na rede, e cada átomo é cercado por quatro átomos heterogêneos, formando uma unidade estrutural tetraédrica com fortes ligações covalentes. A característica estrutural do 3C-SiC é que as camadas diatômicas de Si-C são repetidamente organizadas na ordem ABC-ABC-…, e cada célula unitária contém três dessas camadas diatômicas, que são chamadas de representação C3; a estrutura cristalina do 3C-SiC é mostrada na figura abaixo:

Figura 1 Estrutura cristalina do 3C-SiC

Atualmente, o silício (Si) é o material semicondutor mais comumente usado para dispositivos de energia. No entanto, devido ao desempenho do Si, os dispositivos de potência baseados em silício são limitados. Comparado com 4H-SiC e 6H-SiC, o 3C-SiC tem a maior mobilidade teórica de elétrons à temperatura ambiente (1000 cm·V-1·S-1) e tem mais vantagens em aplicações de dispositivos MOS. Ao mesmo tempo, o 3C-SiC também possui excelentes propriedades, como alta tensão de ruptura, boa condutividade térmica, alta dureza, amplo intervalo de bandas, resistência a altas temperaturas e resistência à radiação. Portanto, possui grande potencial em eletrônica, optoeletrônica, sensores e aplicações sob condições extremas, promovendo o desenvolvimento e a inovação de tecnologias relacionadas, e apresentando amplo potencial de aplicação em diversos campos:

Primeiro: especialmente em ambientes de alta tensão, alta frequência e alta temperatura, a alta tensão de ruptura e a alta mobilidade eletrônica do 3C-SiC o tornam uma escolha ideal para a fabricação de dispositivos de energia como o MOSFET [7]. Segundo: A aplicação de 3C-SiC em nanoeletrônica e sistemas microeletromecânicos (MEMS) se beneficia de sua compatibilidade com a tecnologia de silício, permitindo a fabricação de estruturas em nanoescala, como nanoeletrônica e dispositivos nanoeletromecânicos [8]. Terceiro: Como um material semicondutor de banda larga, o 3C-SiC é adequado para a fabricação dediodos emissores de luz azul(LED). Sua aplicação em iluminação, tecnologia de display e lasers tem atraído atenção devido à sua alta eficiência luminosa e fácil dopagem [9]. Quarto: Ao mesmo tempo, 3C-SiC é usado para fabricar detectores sensíveis à posição, especialmente detectores sensíveis à posição de ponto laser baseados no efeito fotovoltaico lateral, que apresentam alta sensibilidade sob condições de polarização zero e são adequados para posicionamento preciso [10] .

3. Método de preparação de heteroepitaxia 3C SiC

Os principais métodos de crescimento da heteroepitaxia 3C-SiC incluemdeposição química de vapor (CVD), epitaxia de sublimação (SE), epitaxia em fase líquida (LPE), epitaxia por feixe molecular (MBE), pulverização catódica por magnetron, etc. CVD é o método preferido para epitaxia 3C-SiC devido à sua controlabilidade e adaptabilidade (como temperatura, fluxo de gás, pressão da câmara e tempo de reação, o que pode otimizar a qualidade do camada epitaxial).

Deposição química de vapor (CVD): Um gás composto contendo elementos Si e C é passado para a câmara de reação, aquecido e decomposto em alta temperatura, e então átomos de Si e átomos de C são precipitados no substrato de Si, ou 6H-SiC, 15R- SiC, substrato 4H-SiC [11]. A temperatura desta reação está geralmente entre 1300-1500°C. As fontes comuns de Si incluem SiH4, TCS, MTS, etc., e as fontes de C incluem principalmente C2H4, C3H8, etc., com H2 como gás de arraste. O processo de crescimento inclui principalmente as seguintes etapas: 1. A fonte de reação em fase gasosa é transportada para a zona de deposição no fluxo de gás principal. 2. A reação em fase gasosa ocorre na camada limite para gerar precursores e subprodutos de filmes finos. 3. O processo de precipitação, adsorção e craqueamento do precursor. 4. Os átomos adsorvidos migram e se reconstroem na superfície do substrato. 5. Os átomos adsorvidos nucleam e crescem na superfície do substrato. 6. O transporte em massa do gás residual após a reação para a zona principal de fluxo de gás e é retirado da câmara de reação. A Figura 2 é um diagrama esquemático de DCV [12].

Figura 2 Diagrama esquemático de DCV

Método de epitaxia de sublimação (SE): A Figura 3 é um diagrama de estrutura experimental do método SE para preparação de 3C-SiC. As principais etapas são a decomposição e sublimação da fonte de SiC na zona de alta temperatura, o transporte dos sublimados e a reação e cristalização dos sublimados na superfície do substrato a uma temperatura mais baixa. Os detalhes são os seguintes: O substrato 6H-SiC ou 4H-SiC é colocado no topo do cadinho epó de SiC de alta purezaé usado como matéria-prima de SiC e colocado na parte inferior docadinho de grafite. O cadinho é aquecido a 1900-2100°C por indução de radiofrequência, e a temperatura do substrato é controlada para ser inferior à fonte de SiC, formando um gradiente de temperatura axial dentro do cadinho, de modo que o material de SiC sublimado possa condensar e cristalizar no substrato para formar 3C-SiC heteroepitaxial.

As vantagens da epitaxia por sublimação estão principalmente em dois aspectos: 1. A temperatura da epitaxia é alta, o que pode reduzir defeitos cristalinos; 2. Pode ser gravado para obter uma superfície gravada em nível atômico. No entanto, durante o processo de crescimento, a fonte de reação não pode ser ajustada e a proporção silício-carbono, o tempo, as várias sequências de reação, etc. não podem ser alteradas, resultando numa diminuição na controlabilidade do processo de crescimento.

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

A epitaxia por feixe molecular (MBE) é uma tecnologia avançada de crescimento de filme fino, adequada para o cultivo de camadas epitaxiais 3C-SiC em substratos 4H-SiC ou 6H-SiC. O princípio básico deste método é: em um ambiente de ultra-alto vácuo, através do controle preciso do gás fonte, os elementos da camada epitaxial crescente são aquecidos para formar um feixe atômico direcional ou feixe molecular e incidentes na superfície aquecida do substrato para crescimento epitaxial. As condições comuns para o cultivo de 3C-SiCcamadas epitaxiaisem substratos 4H-SiC ou 6H-SiC são: sob condições ricas em silício, fontes de grafeno e carbono puro são excitadas em substâncias gasosas com um canhão de elétrons, e 1200-1350°C é usado como temperatura de reação. O crescimento heteroepitaxial 3C-SiC pode ser obtido a uma taxa de crescimento de 0,01-0,1 nms-1 [13].

Conclusão e perspectiva

Através do progresso tecnológico contínuo e da pesquisa aprofundada de mecanismos, espera-se que a tecnologia heteroepitaxial 3C-SiC desempenhe um papel mais importante na indústria de semicondutores e promova o desenvolvimento de dispositivos eletrônicos de alta eficiência. Por exemplo, continuar a explorar novas técnicas e estratégias de crescimento, como a introdução de atmosfera de HCl para aumentar a taxa de crescimento, mantendo ao mesmo tempo a baixa densidade de defeitos, é a direção de pesquisas futuras; pesquisa aprofundada sobre o mecanismo de formação de defeitos e o desenvolvimento de técnicas de caracterização mais avançadas, como análise de fotoluminescência e catodoluminescência, para obter um controle de defeitos mais preciso e otimizar as propriedades dos materiais; o rápido crescimento do filme espesso 3C-SiC de alta qualidade é a chave para atender às necessidades de dispositivos de alta tensão, e mais pesquisas são necessárias para superar o equilíbrio entre a taxa de crescimento e a uniformidade do material; combinado com a aplicação de 3C-SiC em estruturas heterogêneas como SiC/GaN, explorar suas aplicações potenciais em novos dispositivos como eletrônica de potência, integração optoeletrônica e processamento de informação quântica.

Referências:

[1] Nishino S, Hazuki Y, Matsunami H, et al. Deposição química de vapor de filmes β-SiC cristalinos únicos em substrato de silício com camada intermediária de SiC pulverizada [J]. Journal of The Electrochemical Society, 1980, 127(12):2674-2680.

[2] Ye Zhizhen, Wang Yadong, Huang Jingyun, et al. Pesquisa sobre crescimento em baixa temperatura de filmes finos de carboneto de silício à base de silício [J]. .

[3] An Xia, Zhuang Huizhao, Li Huaixiang, et al. Preparação de filmes finos de nano-SiC por pulverização catódica de magnetron em (111) substrato de Si [J]. ..

[4] Seki K, Alexander, Kozawa S, et al. Crescimento seletivo de politipo de SiC por controle de supersaturação no crescimento da solução [J]. Jornal de Crescimento de Cristal, 2012, 360:176-180.

[5] Chen Yao, Zhao Fuqiang, Zhu Bingxian, He Shuai Visão geral do desenvolvimento de dispositivos de energia de carboneto de silício no país e no exterior [J].

[6] Li X, Wang G.Crescimento de CVD de camadas 3C-SiC em substratos 4H-SiC com morfologia melhorada[J].Solid State Communications, 2023:371.

[7] Hou Kaiwen. Pesquisa sobre substrato com padrão de Si e sua aplicação no crescimento de 3C-SiC [D].

[8]Lars, Hiller, Thomas, et al. Efeitos do hidrogênio na gravação ECR de estruturas Mesa 3C-SiC (100) [J]. Materials Science Forum, 2014.

[9] Xu Qingfang. Preparação de filmes finos 3C-SiC por deposição química de vapor a laser [D].

[10] Foisal A R M, Nguyen T, Dinh T K, et al.3C-SiC/Si Heteroestrutura: Uma Excelente Plataforma para Detectores Sensíveis à Posição Baseados no Efeito Fotovoltaico[J].ACS Applied Materials & Interfaces, 2019: 40980-40987.

[11] Xin Bin. Crescimento heteroepitaxial 3C/4H-SiC baseado no processo CVD: caracterização e evolução de defeitos [D].

[12] Dong Lin. Tecnologia de crescimento epitaxial multi-wafer de grande área e caracterização de propriedades físicas de carboneto de silício [D].

[13] Diani M, Simon L, Kubler L, et al. Crescimento de cristal do politipo 3C-SiC no substrato 6H-SiC(0001)[J]. Jornal de Crescimento de Cristal, 2002, 235(1):95-102.