Анализ гетероэпитаксии 3C-SiC

I. История разработки 3C-SiC

3C-SiC, критический полиморф карбида кремния (SiC), эволюционировал благодаря достижениям в области науки о полупроводниковых материалах.впервые полученные пленки 3C-SiC толщиной 4 мкм на кремниевых субстратах с помощью химического отложения паров (CVD)1990-е годы ознаменовали золотую эру для исследований SiC, с Cree Research Inc. коммерциализируя чипы 6H-SiC и 4H-SiC в 1991 и 1994 годах соответственно.,ускорение коммерциализации устройств на основе SiC.

В начале 21-го века отечественные исследования на основе кремния фильмы SiC продвинулись.изготовленные пленки SiC при комнатной температуре, распыляемые магнитороном, в 2001 годуОднако большое несоответствие решетки (~ 20%) между Si и SiC привело к высокой плотности дефектов, особенно границ двойного положения (DPB), в эпиляторах 3C-SiC.Исследователи приняли (0001) ориентированный 6H-SiCНапример, Секи и др. (2012) стали пионерами в кинетическом полиморфном эпитаксиальном контроле для выборочного выращивания 3C-SiC на 6H-SiC(0001).оптимизированные параметры СВД для достижения эпиляторов 3C-SiC без DPB на субстратах 4H-SiC со скоростью роста 14 мкм/ч.

II. Структура кристаллов и области применения

Среди политипов SiC 3C-SiC (β-SiC) является единственным кубическим полиморфом.Ключевые преимущества::

• Высокая мобильность электронов.(1000 cm2·V−1·S−1 при комнатной температуре), превосходящий 4H/6H-SiC, позволяющий эффективные MOSFET.
• Исключительная теплопроводность.(> 350 W/m·K) и широкий диапазон (3,2 eV), поддерживающий высокотемпературные (> 1000°C) и радиационно-защищенные приложения.
• - Что?Прозрачность широкого спектра(УФ до среднего инфракрасного) и химической инертности, идеально подходит для оптико-электроники и датчиков суровой среды.

Применение:

1. Электротехника:Высоковольтные/высокочастотные MOSFET, использующие низкую плотность интерфейсных ловушек (например, <5 × 1010 cm−2·eV−1) для снижения утечки шлюзов.
2. MEMS/NEMS:Совместимость с обработкой кремния позволяет использовать наноразмерные устройства (например, резонаторы, приводы).
3. - Что?Оптоэлектроника:Синие светодиоды и фотодетекторы с высокой внешней квантовой эффективностью (> 60%).
4. Квантовые технологии:Субстрат для сверхпроводящих пленок (например, MgB2) в квантовых схемах.

Рисунок 1 Кристаллическая структура 3C-SiC

III. Методы гетероэпитаксиального роста

Ключевые методы гетероэпитаксии 3C-SiC:

1. Химическое отложение паров (CVD)

• Процесс: смеси SiH4/C2H4/H2 разлагаются при 1300−1500°C на субстратах Si или 4H-SiC.
• Шаги: реакции газовой фазы → адсорбция прекурсора → миграция поверхности → нуклеация → рост.
• Преимущества: Высокая управляемость температурой (± 0,5°C), давлением (5080 mbar) и соотношением газов (C/Si = 0,91,2).

- Что?

2Сублимационный эпитаксий (SE)

• Установка: порошок SiC в графитовом тигеле, нагретый до 1900 ≈ 2100 °C; пара SiC конденсируется на более холодном подложке.
• Преимущества: высокая скорость роста (> 10 мкм/ч) и сглаживание поверхности в атомном масштабе.
• Ограничения: фиксированные соотношения Si/C и ограниченная регулируемость процесса.

Рисунок 2 Диаграмма принципов СВД

- Что?

3Молекулярный луч эпитаксии (MBE)

• Условия: Ультравысокий вакуум (<10−10 mbar), электронные лучи Si/C испаряются при температуре 1200°1350°C.
• Применения: Эпиляторы с низким дефектом (<103 см−2) для квантовых устройств.

- Что?

4Гибридные подходы.

• Буферные слои: гетероструктуры 4H-SiC/3C-SiC с ионно-имплантированными интерфейсами уменьшают DPB (плотность <0,3 см−2).
• Допинг HCl: ускоряет темпы роста (до 20 мкм/ч) при одновременном подавлении дефектов.

Рисунок 3 Схематическая схема эпитаксиального роста 3C-SiC с использованием метода SE

IV. Проблемы и будущие направления

1. Контроль дефектов:

• Механизм: Несоответствие решетки (Δa/a ≈ 1,5%) и анизотропия теплового расширения вызывают DPB и сбои свертывания.
• Растворы: суперрешетки с компенсацией напряжения или градиентный допинг.

2. Масштабируемость

• Размер пластинки: переход от 4-дюймовых до 8-дюймовых субстратов посредством улучшенной тепловой однородности (вариация < 1 ° C).

- Что?

3Интеграция устройств:

• Гибриды SiC/GaN: буферы 3C-SiC для HEMT GaN-on-SiC, сочетающие высокую подвижность (2000 cm2·V−1·S−1) и теплорассеивание.

4Характеристика:

• Мониторинг на месте: Спектроскопия Рамана для отслеживания дефектов в режиме реального времени.

V. Заключение

3C-SiC гетероэпитаксии преодолевает разрыв в производительности между кремниевыми и широкополосными полупроводниками.HCl-помощью CVD) позволяют масштабируемое производство для электротехники следующего поколенияБудущие работы будут сосредоточены на разработке дефектов в атомном масштабе и гибридных гетероструктурах для разблокировки сверхвысокочастотных (>100 ГГц) и криогенных приложений.

ZMSH Advanced Materials предлагает комплексные решения для карбида кремния (SiC), включая субстраты SiC типа 3C-N, предназначенные для высокопроизводительной энергетической электроники и радиочастотных устройств. Наши настраиваемые услуги обработки принимают различные геометрические формы (например, пластины, слитки) и размеры (до 12-дюймовых пластинок), обращаясь к приложениям в EV инверторах, связи 5G,и промышленных датчиков.