Heteroepitaxe 3C-SiC: Přehled

1. Historický vývoj 3C-SiC

Vývoj 3C-SiC, významného polytypu karbidu křemíku, odráží neustálý pokrok ve vědě o polovodičových materiálech. V 80. letech Nishino a spol. nejprve dosáhl 4 μm tlustého 3C-SiC filmu na křemíkovém substrátu pomocí chemické depozice z plynné fáze (CVD)[1], čímž byl položen základ pro technologii tenkých vrstev 3C-SiC.

Devadesátá léta znamenala pro výzkum SiC zlatý věk. Uvedení čipů 6H-SiC a 4H-SiC společnosti Cree Research Inc. v roce 1991 a 1994 podnítilo komercializaci polovodičových součástek SiC. Tento technologický pokrok položil základy pro následný výzkum a aplikace 3C-SiC.

Na počátku 21. století zaznamenaly SiC filmy na bázi křemíku také významný pokrok v Číně. Ye Zhizhen a kol. vyrobili SiC filmy na křemíkových substrátech pomocí CVD při nízkých teplotách v roce 2002[2], zatímco An Xia et al. dosáhl podobných výsledků pomocí magnetronového naprašování při pokojové teplotě v roce 2001[3].

Velký nesoulad mřížky mezi Si a SiC (přibližně 20 %) však vedl k vysoké hustotě defektů v epitaxní vrstvě 3C-SiC, zejména dvojitých polohovacích hranic (DPB). Aby to zmírnili, vědci se rozhodli pro substráty jako 6H-SiC, 15R-SiC nebo 4H-SiC s orientací (0001) pro růst epitaxních vrstev 3C-SiC, čímž se snížila hustota defektů. Například v roce 2012 Seki, Kazuaki a kol. navrhli techniku ​​řízení kinetického polymorfismu, dosahující selektivního růstu 3C-SiC a 6H-SiC na semenech 6H-SiC(0001) řízením přesycení[4-5]. V roce 2023 Xun Li a kol. úspěšně získali hladké 3C-SiC epitaxní vrstvy bez DPB na 4H-SiC substrátech pomocí optimalizovaného CVD růstu s rychlostí 14 μm/h[6].

2. Krystalová struktura a aplikace 3C-SiC

Mezi četnými polytypy SiC je 3C-SiC, také známý jako β-SiC, jediným kubickým polytypem. V této krystalové struktuře existují atomy Si a C v poměru jedna ku jedné, čímž tvoří tetraedrickou jednotkovou buňku se silnými kovalentními vazbami. Struktura je charakterizována Si-C dvojvrstvami uspořádanými v sekvenci ABC-ABC-…, přičemž každá základní buňka obsahuje tři takové dvojvrstvy, označené C3 notací. Obrázek 1 znázorňuje krystalovou strukturu 3C-SiC.

                                                                                                                                                                           Obrázek 1. Krystalová struktura 3C-SiC

V současné době je křemík (Si) nejrozšířenějším polovodičovým materiálem pro výkonová zařízení. Jeho přirozená omezení však omezují jeho výkon. Ve srovnání s 4H-SiC a 6H-SiC má 3C-SiC nejvyšší teoretickou mobilitu elektronů při pokojové teplotě (1000 cm2·V-1·s-1), díky čemuž je výhodnější pro aplikace MOSFET. Navíc jeho vysoké průrazné napětí, vynikající tepelná vodivost, vysoká tvrdost, široký bandgap, odolnost proti vysokým teplotám a odolnost vůči záření činí 3C-SiC vysoce slibným pro aplikace v elektronice, optoelektronice, senzorech a extrémních prostředích:

Vysokovýkonové, vysokofrekvenční a vysokoteplotní aplikace: 3C-SiC je díky vysokému průraznému napětí a vysoké mobilitě elektronů ideální pro výrobu výkonových zařízení, jako jsou MOSFETy, zejména v náročných prostředích[7].

Nanoelektronika a mikroelektromechanické systémy (MEMS): Jeho kompatibilita s křemíkovou technologií umožňuje výrobu struktur v nanoměřítku, což umožňuje aplikace v nanoelektronice a MEMS zařízeních[8].

Optoelektronika:Jako polovodičový materiál s širokým pásmem je 3C-SiC vhodný pro diody emitující modré světlo (LED). Jeho vysoká světelná účinnost a snadné dopování jej činí atraktivním pro aplikace v oblasti osvětlení, zobrazovacích technologií a laserů[9].

Senzory:3C-SiC se používá v polohově citlivých detektorech, zejména laserových bodových polohově citlivých detektorech založených na laterálním fotovoltaickém jevu. Tyto detektory vykazují vysokou citlivost za podmínek nulového zkreslení, díky čemuž jsou vhodné pro aplikace s přesným polohováním[10].

3. Způsoby přípravy 3C-SiC heteroepitaxe

Mezi běžné metody pro 3C-SiC heteroepitaxi patří chemická depozice z plynné fáze (CVD), sublimační epitaxe (SE), epitaxe v kapalné fázi (LPE), epitaxe molekulárního svazku (MBE) a magnetronové naprašování. CVD je preferovanou metodou pro 3C-SiC epitaxi díky její ovladatelnosti a přizpůsobivosti z hlediska teploty, průtoku plynu, tlaku v komoře a reakční doby, což umožňuje optimalizaci kvality epitaxní vrstvy.

Chemická depozice z plynné fáze (CVD):Plynné sloučeniny obsahující Si a C jsou zavedeny do reakční komory a zahřívány na vysoké teploty, což vede k jejich rozkladu. Atomy Si a C se poté ukládají na substrát, typicky Si, 6H-SiC, 15R-SiC nebo 4H-SiC [11]. Tato reakce typicky probíhá mezi 1300-1500 °C. Mezi běžné zdroje Si patří SiH4, TCS a MTS, zatímco zdroje C jsou primárně C2H4 a C3H8, s H2 jako nosným plynem. Obrázek 2 znázorňuje schéma procesu CVD[12].

                                                                                                                                                               Obrázek 2. Schéma procesu CVD

Sublimační epitaxe (SE):Při této metodě je substrát 6H-SiC nebo 4H-SiC umístěn na vršek kelímku, přičemž vysoce čistý prášek SiC je výchozím materiálem na dně. Kelímek se zahřeje na 1900-2100 °C pomocí vysokofrekvenční indukce, přičemž se teplota substrátu udržuje nižší než teplota zdroje, aby se vytvořil axiální teplotní gradient. To umožňuje sublimovanému SiC kondenzovat a krystalizovat na substrátu za vzniku 3C-SiC heteroepitaxie.

Epitaxe molekulárního paprsku (MBE):Tato pokročilá technika růstu tenkých vrstev je vhodná pro pěstování epitaxních vrstev 3C-SiC na substrátech 4H-SiC nebo 6H-SiC. V ultra vysokém vakuu umožňuje přesné řízení zdrojových plynů vytváření směrovaných atomových nebo molekulárních paprsků jednotlivých prvků. Tyto paprsky jsou směrovány k zahřátému povrchu substrátu pro epitaxní růst.

4. Závěr a výhled

Díky neustálému technologickému pokroku a hloubkovým mechanistickým studiím je heteroepitaxie 3C-SiC připravena hrát stále důležitější roli v polovodičovém průmyslu a řídit vývoj energeticky účinných elektronických zařízení. Zkoumání nových růstových technik, jako je zavedení HCl atmosfér pro zvýšení rychlosti růstu při zachování nízké hustoty defektů, je slibnou cestou pro budoucí výzkum. Další výzkum mechanismů tvorby defektů a vývoj pokročilých charakterizačních technik umožní přesnou kontrolu defektů a optimalizované vlastnosti materiálu. Rychlý růst vysoce kvalitních, tlustých 3C-SiC filmů je zásadní pro splnění požadavků vysokonapěťových zařízení, což vyžaduje další výzkum, aby se zabývala rovnováha mezi rychlostí růstu a uniformitou materiálu. Využitím aplikací 3C-SiC v heterostrukturách, jako je SiC/GaN, lze plně prozkoumat jeho potenciál v nových zařízeních, jako je výkonová elektronika, optoelektronická integrace a kvantové zpracování informací.

Reference:

[1] Nishino S, Hazuki Y, Matsunami H a kol. Chemická depozice monokrystalických β‐SiC filmů na křemíkovém substrátu s naprašovanou mezivrstvou SiC[J]. Journal of The Electrochemical Society, 1980, 127(12):2674-2680.

[2] Ye Zhizhen, Wang Yadong, Huang Jingyun a kol. Výzkum nízkoteplotního růstu tenkých vrstev karbidu křemíku [J] Journal of Vacuum Science and Technology, 2002, 022(001):58-60. .

[3] An Xia, Zhuang Huizhao, Li Huaixiang, a kol ..

[4] Seki K, Alexander, Kozawa S, a kol. Polytypově selektivní růst SiC kontrolou přesycení při růstu roztoku[J]. Journal of Crystal Growth, 2012, 360:176-180.

[5] Chen Yao, Zhao Fuqiang, Zhu Bingxian, He Shuai Přehled vývoje energetických zařízení z karbidu křemíku doma a v zahraničí [J].

[6] Li X, Wang G. CVD růst vrstev 3C-SiC na substrátech 4H-SiC se zlepšenou morfologií[J]. Solid State Communications, 2023:371.

[7] Hou Kaiwen Výzkum vzorovaného substrátu Si a jeho aplikace při růstu 3C-SiC [D], 2018.

[8]Lars, Hiller, Thomas a kol. Vodíkové efekty v ECR-leptání 3C-SiC(100) Mesa Structures[J].Materials Science Forum, 2014.

[9] Xu Qingfang Příprava tenkých vrstev 3C-SiC laserovou chemickou depozicí z plynné fáze [D], 2016.

[10] Foisal AR M, Nguyen T, Dinh TK a kol.3C-SiC/Si Heterostruktura: Vynikající platforma pro polohově citlivé detektory založené na fotovoltaickém efektu[J]. ACS Applied Materials & Interfaces, 2019: 409870-4099

[11] Xin Bin 3C/4H-SiC heteroepitaxní růst založený na procesu CVD: charakterizace defektů a evoluce [D].

[12] Technologie velkoplošného vícevrstvého epitaxního růstu a charakterizace fyzikálních vlastností karbidu křemíku [D], 2014.

[13] Diani M., Simon L., Kubler L. a kol. Růst krystalů polytypu 3C-SiC na substrátu 6H-SiC(0001)[J]. Journal of Crystal Growth, 2002, 235 (1): 95-102.