Heteroepitaxie van 3C-SiC: een overzicht

1. Historische ontwikkeling van 3C-SiC

De ontwikkeling van 3C-SiC, een belangrijk polytype siliciumcarbide, weerspiegelt de voortdurende vooruitgang in de materiaalkunde van halfgeleiders. In de jaren tachtig hebben Nishino et al. bereikte eerst een 4 μm dikke 3C-SiC-film op een siliciumsubstraat met behulp van chemische dampdepositie (CVD) [1], waarmee de basis werd gelegd voor de 3C-SiC dunne-filmtechnologie.

De jaren negentig markeerden een gouden eeuw voor SiC-onderzoek. De lancering van 6H-SiC- en 4H-SiC-chips door Cree Research Inc. in respectievelijk 1991 en 1994 stimuleerde de commercialisering van SiC-halfgeleiderapparaten. Deze technologische vooruitgang legde de basis voor verder onderzoek en toepassingen van 3C-SiC.

In het begin van de 21e eeuw kenden siliciumgebaseerde SiC-films ook aanzienlijke vooruitgang in China. Ye Zhizhen et al. vervaardigde SiC-films op siliciumsubstraten met behulp van CVD bij lage temperaturen in 2002 [2], terwijl An Xia et al. behaalde in 2001 vergelijkbare resultaten met behulp van magnetronsputteren bij kamertemperatuur[3].

De grote mismatch in het rooster tussen Si en SiC (ongeveer 20%) leidde echter tot een hoge defectdichtheid in de epitaxiale 3C-SiC-laag, met name dubbele positioneringsgrenzen (DPB's). Om dit te verzachten kozen onderzoekers voor substraten zoals 6H-SiC, 15R-SiC of 4H-SiC met een (0001) oriëntatie voor het kweken van 3C-SiC epitaxiale lagen, waardoor de defectdichtheid werd verminderd. In 2012 hebben Seki, Kazuaki et al. stelde een kinetische polymorfismecontroletechniek voor, waarbij selectieve groei van 3C-SiC en 6H-SiC op 6H-SiC(0001)-zaden wordt bereikt door oververzadiging te beheersen [4-5]. In 2023 hebben Xun Li et al. met succes gladde 3C-SiC epitaxiale lagen verkregen die vrij zijn van DPB's op 4H-SiC-substraten met behulp van geoptimaliseerde CVD-groei met een snelheid van 14 μm/uur [6].

2. Kristalstructuur en toepassingen van 3C-SiC

Van de talrijke SiC-polytypes is 3C-SiC, ook bekend als β-SiC, het enige kubieke polytype. In deze kristalstructuur bestaan ​​Si- en C-atomen in een één-op-één-verhouding, waardoor een tetraëdrische eenheidscel wordt gevormd met sterke covalente bindingen. De structuur wordt gekenmerkt door Si-C-dubbellagen gerangschikt in een ABC-ABC-…-reeks, waarbij elke eenheidscel drie van dergelijke dubbellagen bevat, aangegeven met de C3-notatie. Figuur 1 illustreert de kristalstructuur van 3C-SiC.

                                                                                                                                                                           Figuur 1. Kristalstructuur van 3C-SiC

Momenteel is silicium (Si) het meest gebruikte halfgeleidermateriaal voor elektrische apparaten. De inherente beperkingen ervan beperken echter de prestaties. Vergeleken met 4H-SiC en 6H-SiC bezit 3C-SiC de hoogste theoretische elektronenmobiliteit bij kamertemperatuur (1000 cm2·V-1·s-1), waardoor het voordeliger is voor MOSFET-toepassingen. Bovendien maken de hoge doorslagspanning, uitstekende thermische geleidbaarheid, hoge hardheid, brede bandafstand, hoge temperatuurbestendigheid en stralingsweerstand 3C-SiC veelbelovend voor toepassingen in de elektronica, opto-elektronica, sensoren en extreme omgevingen:

Toepassingen met hoog vermogen, hoge frequentie en hoge temperaturen: de hoge doorslagspanning en de hoge elektronenmobiliteit van 3C-SiC maken het ideaal voor de productie van vermogensapparaten zoals MOSFET's, vooral in veeleisende omgevingen[7].

Nano-elektronica en micro-elektromechanische systemen (MEMS): De compatibiliteit ervan met siliciumtechnologie maakt de fabricage van structuren op nanoschaal mogelijk, waardoor toepassingen in nano-elektronica en MEMS-apparaten mogelijk worden[8].

Opto-elektronica:Als halfgeleidermateriaal met een grote bandafstand is 3C-SiC geschikt voor blauwe lichtgevende diodes (LED's). De hoge lichtefficiëntie en het gemak van doping maken het aantrekkelijk voor toepassingen in verlichting, displaytechnologieën en lasers[9].

Sensoren:3C-SiC wordt gebruikt in positiegevoelige detectoren, met name laserspot-positiegevoelige detectoren op basis van het laterale fotovoltaïsche effect. Deze detectoren vertonen een hoge gevoeligheid onder nulvoorspanningscondities, waardoor ze geschikt zijn voor precisiepositioneringstoepassingen[10].

3. Bereidingsmethoden voor 3C-SiC Heteroepitaxy

Gebruikelijke methoden voor 3C-SiC-heteroepitaxie omvatten chemische dampafzetting (CVD), sublimatie-epitaxie (SE), vloeistoffase-epitaxie (LPE), moleculaire bundelepitaxie (MBE) en magnetronsputteren. CVD is de voorkeursmethode voor 3C-SiC-epitaxie vanwege de beheersbaarheid en het aanpassingsvermogen ervan in termen van temperatuur, gasstroom, kamerdruk en reactietijd, waardoor optimalisatie van de kwaliteit van de epitaxiale laag mogelijk is.

Chemische dampafzetting (CVD):Gasvormige verbindingen die Si en C bevatten, worden in een reactiekamer gebracht en tot hoge temperaturen verwarmd, wat tot hun ontleding leidt. De Si- en C-atomen zetten zich vervolgens af op een substraat, meestal Si, 6H-SiC, 15R-SiC of 4H-SiC [11]. Deze reactie vindt doorgaans plaats tussen 1300 en 1500 °C. Veel voorkomende Si-bronnen zijn SiH4, TCS en MTS, terwijl C-bronnen voornamelijk C2H4 en C3H8 zijn, met H2 als draaggas. Figuur 2 toont een schema van het CVD-proces [12].

                                                                                                                                                               Figuur 2. Schematische weergave van het CVD-proces

Sublimatie-epitaxie (SE):Bij deze methode wordt een 6H-SiC- of 4H-SiC-substraat bovenaan een smeltkroes geplaatst, met onderaan een zeer zuiver SiC-poeder als bronmateriaal. De smeltkroes wordt via radiofrequentie-inductie verwarmd tot 1900-2100°C, waardoor de substraattemperatuur lager wordt gehouden dan de brontemperatuur om een ​​axiale temperatuurgradiënt te creëren. Hierdoor kan gesublimeerd SiC condenseren en kristalliseren op het substraat, waardoor de 3C-SiC-heteroepitaxy ontstaat.

Moleculaire straalepitaxie (MBE):Deze geavanceerde dunnefilmgroeitechniek is geschikt voor het groeien van 3C-SiC epitaxiale lagen op 4H-SiC- of 6H-SiC-substraten. Onder ultrahoog vacuüm maakt nauwkeurige controle van de brongassen de vorming mogelijk van gerichte atomaire of moleculaire bundels van samenstellende elementen. Deze bundels worden naar het verwarmde substraatoppervlak gericht voor epitaxiale groei.

4. Conclusie en vooruitzichten

Met voortdurende technologische vooruitgang en diepgaande mechanistische studies staat 3C-SiC-heteroepitaxy klaar om een ​​steeds crucialere rol te spelen in de halfgeleiderindustrie en de ontwikkeling van energie-efficiënte elektronische apparaten te stimuleren. Het verkennen van nieuwe groeitechnieken, zoals het introduceren van HCl-atmosferen om de groeisnelheid te verhogen met behoud van lage defectdichtheden, is een veelbelovende weg voor toekomstig onderzoek. Verder onderzoek naar mechanismen voor defectvorming en de ontwikkeling van geavanceerde karakteriseringstechnieken zullen nauwkeurige defectcontrole en geoptimaliseerde materiaaleigenschappen mogelijk maken. Snelle groei van hoogwaardige, dikke 3C-SiC-films is cruciaal om te voldoen aan de eisen van hoogspanningsapparatuur, en vereist verder onderzoek om de balans tussen groeisnelheid en materiaaluniformiteit aan te pakken. Door gebruik te maken van de toepassingen van 3C-SiC in heterostructuren zoals SiC/GaN, kan het potentieel ervan in nieuwe apparaten zoals vermogenselektronica, opto-elektronische integratie en kwantuminformatieverwerking volledig worden onderzocht.

Referenties:

[1] Nishino S, Hazuki Y, Matsunami H, et al. Chemische dampafzetting van enkelvoudige kristallijne β-SiC-films op siliciumsubstraat met gesputterde SiC-tussenlaag [J]. Journal of The Electrochemical Society, 1980, 127 (12): 2674-2680.

[2] Ye Zhizhen, Wang Yadong, Huang Jingyun, et al. Onderzoek naar groei bij lage temperatuur van dunne films van siliciumcarbide op basis van silicium [J]. .

[3] An Xia, Zhuang Huizhao, Li Huaixiang, et al. Bereiding van dunne nano-SiC-films door magnetronsputteren op (111) Si-substraat [J]. ..

[4] Seki K, Alexander, Kozawa S, et al. Polytype-selectieve groei van SiC door oververzadigingscontrole in oplossingsgroei [J]. Journal of Crystal Growth, 2012, 360:176-180.

[5] Chen Yao, Zhao Fuqiang, Zhu Bingxian, He Shuai. Overzicht van de ontwikkeling van siliciumcarbide-energieapparaten in binnen- en buitenland [J].

[6] Li X, Wang G. CVD-groei van 3C-SiC-lagen op 4H-SiC-substraten met verbeterde morfologie [J].Solid State Communications, 2023:371.

[7] Hou Kaiwen. Onderzoek naar substraat met Si-patroon en de toepassing ervan in 3C-SiC-groei [D].

[8]Lars, Hiller, Thomas, et al. Waterstofeffecten bij ECR-etsen van 3C-SiC(100) Mesa-structuren [J].Materials Science Forum, 2014.

[9] Xu Qingfang. Bereiding van dunne 3C-SiC-films door chemische dampafzetting met laser [D].

[10] Foisal A R M, Nguyen T, Dinh T K, et al.3C-SiC/Si Heterostructuur: een uitstekend platform voor positiegevoelige detectoren op basis van fotovoltaïsch effect [J].ACS Applied Materials & Interfaces, 2019: 40980-40987.

[11] Xin Bin. 3C/4H-SiC heteroepitaxiale groei gebaseerd op CVD-proces: karakterisering en evolutie van defecten [D].

[12] Dong Lin. Epitaxiale groeitechnologie met meerdere wafers en karakterisering van de fysieke eigenschappen van siliciumcarbide [D].

[13] Diani M, Simon L, Kubler L, et al. Kristalgroei van 3C-SiC-polytype op 6H-SiC(0001)-substraat[J]. Journal of Crystal Growth, 2002, 235(1):95-102.