Analiza heteroepitaksji 3C-SiC

I. Historia rozwoju 3C-SiC

3C-SiC, kluczowy polimorf węglika krzemu (SiC), ewoluował dzięki postępom w nauce o materiałach półprzewodnikowych. W latach 80. XX wieku Nishino i in. po raz pierwszy uzyskali warstwy 3C-SiC o grubości 4 µm na podłożach krzemowych za pomocą chemicznego osadzania z fazy gazowej (CVD), kładąc podwaliny pod technologię cienkich warstw 3C-SiC. Lata 90. XX wieku były złotą erą badań nad SiC, a Cree Research Inc. wprowadziła na rynek układy scalone 6H-SiC i 4H-SiC odpowiednio w 1991 i 1994 roku, przyspieszając komercjalizację urządzeń opartych na SiC.

Na początku XXI wieku postępowały krajowe badania nad warstwami SiC na bazie krzemu. Ye Zhizhen i in. opracowali niskotemperaturowe warstwy SiC na bazie krzemu hodowane metodą CVD w 2002 roku, podczas gdy An Xia i in. wytworzyli warstwy SiC napylane magnetronowo w temperaturze pokojowej w 2001 roku. Jednak duże niedopasowanie sieci (~20%) między Si i SiC prowadziło do wysokiej gęstości defektów, szczególnie granic podwójnych położeń (DPB), w warstwach epitaksjalnych 3C-SiC. Aby to złagodzić, naukowcy przyjęli podłoża 6H-SiC, 15R-SiC lub 4H-SiC zorientowane (0001). Na przykład Seki i in. (2012) zapoczątkowali kinetyczną polimorficzną kontrolę epitaksjalną, aby selektywnie hodować 3C-SiC na 6H-SiC(0001). Do 2023 roku Xun Li i in. zoptymalizowali parametry CVD, aby uzyskać warstwy epitaksjalne 3C-SiC wolne od DPB na podłożach 4H-SiC przy szybkościach wzrostu 14 µm/h.

II. Struktura krystaliczna i domeny zastosowań

Wśród polimorfów SiC, 3C-SiC (β-SiC) jest jedynym polimorfem kubicznym. Jego struktura charakteryzuje się atomami Si i C w stosunku 1:1, tworząc sieć tetraedryczną z warstwami ABC (notacja C3). Kluczowe zalety obejmują:

• Wysoką ruchliwość elektronów (1000 cm²·V⁻¹·S⁻¹ w temperaturze pokojowej), przewyższającą 4H/6H-SiC, umożliwiającą wydajne tranzystory MOSFET.
• Wyjątkową przewodność cieplną (>350 W/m·K) i szeroką przerwę energetyczną (3,2 eV), wspierającą zastosowania wysokotemperaturowe (>1000°C) i odporne na promieniowanie.
• Szerokopasmową przezroczystość (UV do średniej podczerwieni) i obojętność chemiczną, idealne dla optoelektroniki i czujników w trudnych warunkach.

Zastosowania obejmują:

1. Elektronikę mocy: Wysokonapięciowe/wysokoczęstotliwościowe tranzystory MOSFET wykorzystujące niską gęstość pułapek na interfejsie (np. <5 × 10¹⁰ cm⁻²·eV⁻¹) w celu zmniejszenia upływu prądu bramki.
2. MEMS/NEMS: Kompatybilność z przetwarzaniem krzemu umożliwia urządzenia nanometryczne (np. rezonatory, siłowniki).
3. Optoelektronikę: Niebieskie diody LED i fotodetektory o wysokiej zewnętrznej wydajności kwantowej (>60%).
4. Technologie kwantowe: Podłoże dla warstw nadprzewodzących (np. MgB₂) w obwodach kwantowych.

Rysunek 1 Struktura krystaliczna 3C-SiC

III. Metody heteroepitaksjalnego wzrostu

Kluczowe techniki dla heteroepitaksji 3C-SiC:

1. Chemiczne osadzanie z fazy gazowej (CVD)

• Proces: Mieszaniny SiH₄/C₂H₄/H₂ rozkładają się w temperaturze 1300–1500°C na podłożach Si lub 4H-SiC.
• Kroki: Reakcje w fazie gazowej → adsorpcja prekursora → migracja powierzchniowa → nukleacja → wzrost.
• Zalety: Wysoka kontrola nad temperaturą (±0,5°C), ciśnieniem (50–80 mbar) i stosunkami gazów (C/Si = 0,9–1,2).

2. Epitaksja sublimacyjna (SE)

• Ustawienia: Proszek SiC w tyglu grafitowym podgrzewany do 1900–2100°C; para SiC kondensuje na chłodniejszym podłożu.
• Korzyści: Wysokie tempo wzrostu (>10 µm/h) i wygładzanie powierzchni w skali atomowej.
• Ograniczenia: Stałe stosunki Si/C i ograniczona regulacja procesu.

Rysunek 2 Schemat zasady CVD

3. Epitaksja wiązką molekularną (MBE)

• Warunki: Ultrawysoka próżnia (<10⁻¹⁰ mbar), wiązki Si/C odparowane wiązką elektronów w temperaturze 1200–1350°C.
• Zastosowania: Warstwy epitaksjalne o niskiej wadliwości (<10³ cm⁻²) dla urządzeń kwantowych.

4. Podejścia hybrydowe

• Warstwy buforowe: Heterostruktury 4H-SiC/3C-SiC z interfejsami implantowanymi jonami redukują DPB (gęstość <0,3 cm⁻²).
• Doping HCl: Zwiększa tempo wzrostu (do 20 µm/h), jednocześnie tłumiąc defekty.

Rysunek 3 Schematyczny diagram wzrostu epitaksjalnego 3C-SiC metodą SE

IV. Wyzwania i przyszłe kierunki

1. Kontrola defektów:

• Mechanizm: Niedopasowanie sieci (Δa/a ≈ 1,5%) i anizotropia rozszerzalności cieplnej indukują DPB i wady stosu.
• Rozwiązania: Superkraty kompensowane naprężeniami lub gradientowe domieszkowanie.

2. Skalowalność:

• Rozmiar wafla: Przejście z podłoży 4-calowych na 8-calowe poprzez poprawę jednorodności termicznej (<1°C wariacji).

3. Integracja urządzeń:

• Hybrydy SiC/GaN: Bufory 3C-SiC dla tranzystorów HEMT GaN-on-SiC, łączące wysoką ruchliwość (2000 cm²·V⁻¹·S⁻¹) i rozpraszanie ciepła.

4. Charakterystyka:

• Monitorowanie in situ: Spektroskopia Ramana do śledzenia defektów w czasie rzeczywistym.

V. Wnioski

Heteroepitaksja 3C-SiC wypełnia lukę w wydajności między krzemem a półprzewodnikami o szerokiej przerwie energetycznej. Postępy w hodowli CVD/MBE i łagodzeniu defektów (np. CVD wspomagane HCl) umożliwiają skalowalną produkcję dla elektroniki mocy nowej generacji, urządzeń RF i systemów kwantowych. Przyszłe prace będą koncentrować się na inżynierii defektów w skali atomowej i hybrydowych heterostrukturach, aby odblokować ultrawysoką częstotliwość (>100 GHz) i zastosowania kriogeniczne.

ZMSH Advanced Materials oferuje kompleksowe rozwiązania z węglika krzemu (SiC), w tym podłoża 3C-N-type SiC dostosowane do wysokowydajnej elektroniki mocy i urządzeń RF. Nasze konfigurowalne usługi przetwarzania uwzględniają różne geometrie (np. wafle, wlewki) i wymiary (do 12-calowych wafli), odpowiadając na zastosowania w inwerterach EV, komunikacji 5G i czujnikach przemysłowych.