La storia dello sviluppo del SiC 3C

Come una forma importante dicarburo di silicio, la storia dello sviluppo di3C-SiCriflette il continuo progresso della scienza dei materiali semiconduttori. Negli anni '80 Nishino et al. ha ottenuto per la prima volta film sottili 3C-SiC da 4um su substrati di silicio mediante deposizione chimica da fase vapore (CVD) [1], che ha gettato le basi per la tecnologia a film sottile 3C-SiC.

Gli anni ’90 sono stati l’età d’oro della ricerca sul SiC. Cree Research Inc. ha lanciato i chip 6H-SiC e 4H-SiC rispettivamente nel 1991 e nel 1994, promuovendo la commercializzazione diDispositivi a semiconduttore SiC. Il progresso tecnologico durante questo periodo ha gettato le basi per la successiva ricerca e applicazione del 3C-SiC.

All'inizio del 21° secolo,film sottili SiC domestici a base di silicioanche sviluppato in una certa misura. Ye Zhizhen et al. film sottili SiC a base di silicio preparati mediante CVD in condizioni di bassa temperatura nel 2002 [2]. Nel 2001, An Xia et al. film sottili SiC a base di silicio preparati mediante sputtering con magnetron a temperatura ambiente [3].

Tuttavia, a causa della grande differenza tra la costante reticolare del Si e quella del SiC (circa il 20%), la densità dei difetti dello strato epitassiale 3C-SiC è relativamente elevata, in particolare il difetto gemello come il DPB. Al fine di ridurre il disadattamento del reticolo, i ricercatori utilizzano 6H-SiC, 15R-SiC o 4H-SiC sulla superficie (0001) come substrato per far crescere lo strato epitassiale 3C-SiC e ridurre la densità del difetto. Ad esempio, nel 2012, Seki, Kazuaki et al. ha proposto la tecnologia di controllo dinamico dell'epitassia polimorfica, che realizza la crescita selettiva polimorfica di 3C-SiC e 6H-SiC sul seme superficiale 6H-SiC (0001) controllando la supersaturazione [4-5]. Nel 2023, ricercatori come Xun Li hanno utilizzato il metodo CVD per ottimizzare la crescita e il processo e hanno ottenuto con successo un 3C-SiC lisciostrato epitassialesenza difetti DPB sulla superficie su un substrato 4H-SiC a un tasso di crescita di 14 um/h[6].

Struttura cristallina e campi di applicazione del SiC 3C

Tra i molti politipi SiCD, 3C-SiC è l'unico politipo cubico, noto anche come β-SiC. In questa struttura cristallina, gli atomi di Si e C esistono in un rapporto uno a uno nel reticolo e ciascun atomo è circondato da quattro atomi eterogenei, formando un'unità strutturale tetraedrica con forti legami covalenti. La caratteristica strutturale del 3C-SiC è che gli strati biatomici Si-C sono ripetutamente disposti nell'ordine ABC-ABC-..., e ciascuna cella unitaria contiene tre di questi strati biatomici, che è chiamata rappresentazione C3; la struttura cristallina del 3C-SiC è mostrata nella figura seguente:

Figura 1 Struttura cristallina di 3C-SiC

Attualmente, il silicio (Si) è il materiale semiconduttore più comunemente utilizzato per i dispositivi di potenza. Tuttavia, a causa delle prestazioni del Si, i dispositivi di potenza basati sul silicio sono limitati. Rispetto a 4H-SiC e 6H-SiC, 3C-SiC ha la più alta mobilità teorica degli elettroni a temperatura ambiente (1000 cm·V-1·S-1) e presenta maggiori vantaggi nelle applicazioni dei dispositivi MOS. Allo stesso tempo, 3C-SiC ha anche proprietà eccellenti come elevata tensione di rottura, buona conduttività termica, elevata durezza, ampio intervallo di banda, resistenza alle alte temperature e resistenza alle radiazioni. Pertanto, ha un grande potenziale nell'elettronica, nell'optoelettronica, nei sensori e nelle applicazioni in condizioni estreme, promuovendo lo sviluppo e l'innovazione delle tecnologie correlate e mostrando un ampio potenziale di applicazione in molti campi:

Primo: soprattutto in ambienti ad alta tensione, alta frequenza e alta temperatura, l’elevata tensione di rottura e l’elevata mobilità degli elettroni del 3C-SiC lo rendono la scelta ideale per la produzione di dispositivi di potenza come MOSFET [7]. Secondo: l’applicazione del 3C-SiC nei sistemi nanoelettronici e microelettromeccanici (MEMS) trae vantaggio dalla sua compatibilità con la tecnologia del silicio, consentendo la produzione di strutture su scala nanometrica come dispositivi nanoelettronici e nanoelettromeccanici [8]. Terzo: essendo un materiale semiconduttore ad ampio gap di banda, il 3C-SiC è adatto per la produzionediodi emettitori di luce blu(LED). La sua applicazione nell'illuminazione, nella tecnologia dei display e nei laser ha attirato l'attenzione grazie alla sua elevata efficienza luminosa e al facile drogaggio [9]. Quarto: allo stesso tempo, il 3C-SiC viene utilizzato per produrre rilevatori sensibili alla posizione, in particolare rilevatori sensibili alla posizione del punto laser basati sull'effetto fotovoltaico laterale, che mostrano un'elevata sensibilità in condizioni di polarizzazione zero e sono adatti per un posizionamento preciso [10] .

3. Metodo di preparazione dell'eteroepitassia SiC 3C

I principali metodi di crescita dell'eteroepitassia 3C-SiC includonodeposizione chimica da fase vapore (CVD), epitassia di sublimazione (SE), epitassia in fase liquida (LPE), epitassia a fascio molecolare (MBE), sputtering con magnetron, ecc. CVD è il metodo preferito per l'epitassia 3C-SiC grazie alla sua controllabilità e adattabilità (come temperatura, flusso di gas, pressione della camera e tempo di reazione, che può ottimizzare la qualità del strato epitassiale).

Deposizione chimica da fase vapore (CVD): un gas composto contenente elementi Si e C viene fatto passare nella camera di reazione, riscaldato e decomposto ad alta temperatura, quindi gli atomi di Si e gli atomi di C vengono precipitati sul substrato di Si, o 6H-SiC, 15R- Substrato SiC, 4H-SiC [11]. La temperatura di questa reazione è solitamente compresa tra 1300 e 1500 ℃. Le fonti comuni di Si includono SiH4, TCS, MTS, ecc., mentre le fonti di C includono principalmente C2H4, C3H8, ecc., con H2 come gas di trasporto. Il processo di crescita comprende principalmente le seguenti fasi: 1. La fonte di reazione in fase gassosa viene trasportata nella zona di deposizione nel flusso di gas principale. 2. La reazione in fase gassosa avviene nello strato limite per generare precursori e sottoprodotti di film sottile. 3. Il processo di precipitazione, adsorbimento e cracking del precursore. 4. Gli atomi adsorbiti migrano e si ricostruiscono sulla superficie del substrato. 5. Gli atomi adsorbiti nucleano e crescono sulla superficie del substrato. 6. Il trasporto di massa del gas di scarico dopo la reazione nella zona di flusso del gas principale e viene portato fuori dalla camera di reazione. La Figura 2 è un diagramma schematico della CVD [12].

Figura 2 Diagramma schematico della CVD

Metodo dell'epitassia di sublimazione (SE): la Figura 3 è un diagramma della struttura sperimentale del metodo SE per la preparazione di 3C-SiC. Le fasi principali sono la decomposizione e la sublimazione della fonte SiC nella zona ad alta temperatura, il trasporto dei sublimati e la reazione e cristallizzazione dei sublimati sulla superficie del substrato a una temperatura inferiore. I dettagli sono i seguenti: il substrato 6H-SiC o 4H-SiC è posizionato sulla parte superiore del crogiolo epolvere di SiC di elevata purezzaviene utilizzato come materia prima SiC e posto sul fondo delcrogiolo di grafite. Il crogiolo viene riscaldato a 1900-2100 ℃ mediante induzione a radiofrequenza e la temperatura del substrato è controllata in modo che sia inferiore a quella della fonte SiC, formando un gradiente di temperatura assiale all'interno del crogiolo, in modo che il materiale SiC sublimato possa condensare e cristallizzare sul substrato per formare 3C-SiC eteroepitassiale.

I vantaggi dell'epitassia a sublimazione risiedono principalmente in due aspetti: 1. La temperatura dell'epitassia è elevata, il che può ridurre i difetti dei cristalli; 2. Può essere inciso per ottenere una superficie incisa a livello atomico. Tuttavia, durante il processo di crescita, la fonte di reazione non può essere regolata e il rapporto silicio-carbonio, il tempo, le varie sequenze di reazione, ecc. non possono essere modificati, con conseguente diminuzione della controllabilità del processo di crescita.

Figura 3 Diagramma schematico del metodo SE per la crescita dell'epitassia 3C-SiC

L'epitassia a fascio molecolare (MBE) è una tecnologia avanzata di crescita di film sottile, adatta per la crescita di strati epitassiali 3C-SiC su substrati 4H-SiC o 6H-SiC. Il principio di base di questo metodo è: in un ambiente di ultra-alto vuoto, attraverso un controllo preciso del gas sorgente, gli elementi dello strato epitassiale in crescita vengono riscaldati per formare un fascio atomico direzionale o fascio molecolare e incidente sulla superficie riscaldata del substrato per crescita epitassiale. Le condizioni comuni per la crescita del 3C-SiCstrati epitassialisui substrati 4H-SiC o 6H-SiC sono: in condizioni ricche di silicio, le fonti di grafene e carbonio puro vengono eccitate in sostanze gassose con un cannone elettronico e come temperatura di reazione viene utilizzata 1200-1350 ℃. La crescita eteroepitassiale 3C-SiC può essere ottenuta ad un tasso di crescita di 0,01-0,1 nms-1 [13].

Conclusione e prospettiva

Attraverso il continuo progresso tecnologico e la ricerca approfondita sui meccanismi, si prevede che la tecnologia eteroepitassiale 3C-SiC svolgerà un ruolo più importante nel settore dei semiconduttori e promuoverà lo sviluppo di dispositivi elettronici ad alta efficienza. Ad esempio, continuare a esplorare nuove tecniche e strategie di crescita, come l'introduzione di un'atmosfera di HCl per aumentare il tasso di crescita mantenendo una bassa densità di difetti, è la direzione della ricerca futura; ricerca approfondita sul meccanismo di formazione dei difetti e sviluppo di tecniche di caratterizzazione più avanzate, come l'analisi della fotoluminescenza e della catodoluminescenza, per ottenere un controllo più preciso dei difetti e ottimizzare le proprietà dei materiali; la rapida crescita del film spesso di alta qualità 3C-SiC è la chiave per soddisfare le esigenze dei dispositivi ad alta tensione e sono necessarie ulteriori ricerche per superare l'equilibrio tra tasso di crescita e uniformità del materiale; combinato con l'applicazione di 3C-SiC in strutture eterogenee come SiC/GaN, esplorerà le sue potenziali applicazioni in nuovi dispositivi come l'elettronica di potenza, l'integrazione optoelettronica e l'elaborazione delle informazioni quantistiche.

Riferimenti:

[1] Nishino S, Hazuki Y, Matsunami H, et al. Deposizione chimica da fase vapore di film β-SiC monocristallini su substrato di silicio con strato intermedio SiC spruzzato[J].Journal of The Electrochemical Society, 1980, 127(12):2674-2680.

[2] Ye Zhizhen, Wang Yadong, Huang Jingyun, et al. Ricerca sulla crescita a bassa temperatura di film sottili di carburo di silicio a base di silicio [J]. Journal of Vacuum Science and Technology, 2002, 022(001):58-60 .

[3] An Xia, Zhuang Huizhao, Li Huaixiang, et al. Preparazione di film sottili di nano-SiC mediante sputtering di magnetron su substrato di Si (111) [J]. Journal of Shandong Normal University: Natural Science Edition, 2001: 382-384 ..

[4] Seki K, Alexander, Kozawa S, et al. Crescita selettiva del politipo di SiC mediante controllo della supersaturazione nella crescita della soluzione[J]. Giornale della crescita dei cristalli, 2012, 360:176-180.

[5] Chen Yao, Zhao Fuqiang, Zhu Bingxian, He Shuai. Panoramica dello sviluppo di dispositivi di potenza in carburo di silicio in patria e all'estero [J].

[6] Li X, Wang G. Crescita CVD di strati 3C-SiC su substrati 4H-SiC con morfologia migliorata[J].Solid State Communications, 2023:371.

[7] Hou Kaiwen. Ricerca sul substrato modellato Si e sua applicazione nella crescita 3C-SiC [D] Università della tecnologia di Xi'an, 2018.

[8]Lars, Hiller, Thomas, et al. Effetti dell'idrogeno nell'incisione ECR di strutture Mesa 3C-SiC(100)[J].Materials Science Forum, 2014.

[9] Xu Qingfang. Preparazione di film sottili 3C-SiC mediante deposizione laser di vapori chimici [D], Università di Tecnologia di Wuhan, 2016.

[10] Foisal A R M, Nguyen T, Dinh T K, et al. Eterostruttura 3C-SiC/Si: una piattaforma eccellente per rilevatori sensibili alla posizione basati sull'effetto fotovoltaico[J].ACS Applied Materials & Interfaces, 2019: 40980-40987.

[11] Xin Bin. Crescita eteroepitassiale 3C / 4H-SiC basata sul processo CVD: caratterizzazione ed evoluzione dei difetti [D].

[12] Dong Lin. Tecnologia di crescita epitassiale multi-wafer su vasta area e caratterizzazione delle proprietà fisiche del carburo di silicio [D].

[13] Diani M, Simon L, Kubler L, et al. Crescita cristallina del politipo 3C-SiC sul substrato 6H-SiC(0001)[J]. Giornale della crescita dei cristalli, 2002, 235(1):95-102.