A 3C-SiC heteroepitaxiája: áttekintés

1. A 3C-SiC történeti fejlődése

A 3C-SiC, a szilícium-karbid jelentős politípusának kifejlesztése a félvezető anyagtudomány folyamatos fejlődését tükrözi. Az 1980-as években Nishino et al. először 4 μm vastag 3C-SiC filmet ért el szilícium hordozón kémiai gőzfázisú leválasztással (CVD)[1], ezzel megalapozva a 3C-SiC vékonyréteg-technológiát.

Az 1990-es évek a SiC-kutatás aranykorát jelentettek. A Cree Research Inc. 1991-ben, illetve 1994-ben 6H-SiC és 4H-SiC chipek piacra dobása indította el a SiC félvezető eszközök kereskedelmi forgalomba hozatalát. Ez a technológiai fejlődés alapozta meg a 3C-SiC későbbi kutatását és alkalmazását.

A 21. század elején a szilícium alapú SiC fóliák Kínában is jelentős fejlődést értek el. Ye Zhizhen et al. 2002-ben szilícium hordozóra SiC filmeket gyártott alacsony hőmérsékleten CVD-vel[2], míg An Xia et al. hasonló eredményeket értek el 2001-ben szobahőmérsékleten végzett magnetronporlasztással[3].

Azonban a Si és a SiC közötti nagy rácsos eltérés (körülbelül 20%) nagy hibasűrűséget eredményezett a 3C-SiC epitaxiális rétegben, különösen a kettős pozicionálási határokon (DPB). Ennek enyhítésére a kutatók olyan szubsztrátokat választottak, mint a 6H-SiC, 15R-SiC vagy 4H-SiC (0001) orientációval a 3C-SiC epitaxiális rétegek növesztéséhez, ezáltal csökkentve a hibasűrűséget. Például 2012-ben Seki, Kazuaki et al. kinetikus polimorfizmus szabályozási technikát javasolt, amely a 3C-SiC és 6H-SiC szelektív növekedését éri el 6H-SiC(0001) magvakon a túltelítettség szabályozásával[4-5]. 2023-ban Xun Li et al. 4H-SiC szubsztrátumokon sikeresen kapott sima, DPB-mentes 3C-SiC epitaxiális rétegeket optimalizált CVD növekedéssel 14 μm/h sebességgel[6].

2. A 3C-SiC kristályszerkezete és alkalmazásai

A számos SiC politípus közül a 3C-SiC, más néven β-SiC az egyetlen köbös politípus. Ebben a kristályszerkezetben a Si és C atomok egy-egy arányban léteznek, és erős kovalens kötésekkel tetraéderes egységcellát alkotnak. A szerkezetet ABC-ABC-… szekvenciában elhelyezett Si-C kettősrétegek jellemzik, amelyek mindegyike három ilyen kettős réteget tartalmaz, amelyeket C3 jelöléssel jelölünk. Az 1. ábra a 3C-SiC kristályszerkezetét szemlélteti.

                                                                                                                                                                           1. ábra A 3C-SiC kristályszerkezete

Jelenleg a szilícium (Si) a legszélesebb körben használt félvezető anyag az erőátviteli eszközökben. A benne rejlő korlátok azonban korlátozzák a teljesítményt. A 4H-SiC-hez és a 6H-SiC-hez képest a 3C-SiC rendelkezik a legnagyobb elméleti elektronmobilitással szobahőmérsékleten (1000 cm2·V-1·s-1), így előnyösebb MOSFET alkalmazásokhoz. Ezen túlmenően nagy áttörési feszültsége, kiváló hővezető képessége, nagy keménysége, széles sávszélessége, magas hőmérsékleti ellenállása és sugárzásállósága a 3C-SiC-et rendkívül ígéretessé teszik az elektronikában, optoelektronikában, érzékelőkben és extrém környezetekben:

Nagy teljesítményű, nagyfrekvenciás és magas hőmérsékletű alkalmazások: A 3C-SiC nagy áttörési feszültsége és nagy elektronmobilitása ideálissá teszi az olyan tápegységek gyártásához, mint a MOSFET, különösen igényes környezetben[7].

Nanoelektronika és mikroelektromechanikai rendszerek (MEMS): A szilíciumtechnológiával való kompatibilitása lehetővé teszi nanoméretű struktúrák gyártását, lehetővé téve a nanoelektronikában és a MEMS-eszközökben való alkalmazást[8].

Optoelektronika:Széles sávú félvezető anyagként a 3C-SiC alkalmas kék fénykibocsátó diódákhoz (LED). Nagy fényhatékonysága és könnyű doppingolása vonzóvá teszi a világítási, kijelzőtechnológiai és lézeres alkalmazásokhoz[9].

Érzékelők:A 3C-SiC-t helyzetérzékeny detektorokban alkalmazzák, különösen az oldalsó fotovoltaikus hatáson alapuló lézerpont helyzetérzékeny detektorokban. Ezek az érzékelők nagy érzékenységet mutatnak nulla előfeszítés mellett, így alkalmasak precíziós pozicionálási alkalmazásokra[10].

3. A 3C-SiC heteroepitaxia előállítási módszerei

A 3C-SiC heteroepitaxia általános módszerei közé tartozik a kémiai gőzleválasztás (CVD), a szublimációs epitaxia (SE), a folyadékfázisú epitaxia (LPE), a molekuláris nyaláb epitaxia (MBE) és a magnetronos porlasztás. A CVD az előnyben részesített módszer a 3C-SiC epitaxiához, mivel szabályozható és adaptálható a hőmérséklet, a gázáramlás, a kamranyomás és a reakcióidő tekintetében, lehetővé téve az epitaxiális réteg minőségének optimalizálását.

Kémiai gőzleválasztás (CVD):A szilícium- és szénatomot tartalmazó gáznemű vegyületeket egy reakciókamrába vezetik, és magas hőmérsékletre hevítik, ami bomláshoz vezet. A Si és C atomok ezután egy szubsztrátumra rakódnak le, jellemzően Si, 6H-SiC, 15R-SiC vagy 4H-SiC [11]. Ez a reakció jellemzően 1300-1500 °C között megy végbe. A gyakori Si-források közé tartozik a SiH4, a TCS és az MTS, míg a C-források elsősorban a C2H4 és C3H8, a H2 pedig a vivőgáz. A 2. ábra a CVD-folyamat vázlatos rajzát mutatja[12].

                                                                                                                                                               2. ábra A CVD folyamat vázlata

Szublimációs epitaxia (SE):Ennél a módszernél egy 6H-SiC vagy 4H-SiC szubsztrátot helyeznek el egy tégely tetején, alul pedig nagy tisztaságú SiC-port használnak kiindulási anyagként. A tégelyt rádiófrekvenciás indukcióval 1900-2100 °C-ra melegítik, miközben a szubsztrátum hőmérsékletét a forrás hőmérsékleténél alacsonyabban tartják, hogy axiális hőmérsékleti gradienst hozzon létre. Ez lehetővé teszi, hogy a szublimált SiC kondenzálódjon és kristályosodjon a szubsztrátumon, létrehozva a 3C-SiC heteroepitaxiát.

Molekuláris nyaláb epitaxia (MBE):Ez a fejlett vékonyréteg-növekedési technika alkalmas 3C-SiC epitaxiális rétegek növesztésére 4H-SiC vagy 6H-SiC szubsztrátumokon. Ultra-nagy vákuum alatt a forrásgázok pontos szabályozása lehetővé teszi az alkotóelemek irányított atomi vagy molekuláris nyalábjainak kialakítását. Ezek a gerendák a fűtött hordozófelület felé irányulnak az epitaxiális növekedés érdekében.

4. Következtetés és kilátások

A folyamatos technológiai fejlődésnek és a mélyreható mechanikai tanulmányoknak köszönhetően a 3C-SiC heteroepitaxia egyre fontosabb szerepet játszik a félvezetőiparban, az energiahatékony elektronikai eszközök fejlesztésének hajtóerejeként. Az új növekedési technikák feltárása, mint például a HCl-atmoszféra bevezetése a növekedési sebesség fokozása érdekében, miközben az alacsony hibasűrűséget megtartja, ígéretes út a jövőbeli kutatások számára. A hibaképzési mechanizmusok további vizsgálata és a fejlett jellemzési technikák fejlesztése lehetővé teszi a pontos hibaellenőrzést és az anyagtulajdonságok optimalizálását. A jó minőségű, vastag 3C-SiC fóliák gyors növekedése kulcsfontosságú a nagyfeszültségű eszközök igényeinek kielégítéséhez, és további kutatásokat igényel a növekedési sebesség és az anyag egyenletessége közötti egyensúly megtalálása érdekében. A 3C-SiC heterostruktúrákban, például SiC/GaN-ben való alkalmazásának kiaknázásával teljes mértékben feltárható az olyan új eszközökben rejlő lehetőségek, mint a teljesítményelektronika, az optoelektronikai integráció és a kvantuminformáció-feldolgozás.

Referenciák:

[1] Nishino S, Hazuki Y, Matsunami H, et al. Egykristályos β-SiC filmek kémiai gőzleválasztása porlasztott SiC köztes rétegű szilícium szubsztrátumon [J]. Journal of The Electrochemical Society, 1980, 127(12):2674-2680.

[2] Ye Zhizhen, Wang Yadong, Huang Jingyun és munkatársai: szilícium-alapú szilícium-karbid vékonyrétegek alacsony hőmérsékletű növekedése [J] Journal of Vacuum Science and Technology, 2002, 022(001):58-60. .

[3] An Xia, Zhuang Huizhao, Li Huaixiang és munkatársai Nano-SiC vékonyrétegek előállítása (111) Si hordozón [J] Journal of Shandong Normal University: Natural Science Edition, 2001: 382-384 ..

[4] Seki K, Alexander, Kozawa S et al. A SiC politípus-szelektív növekedése túltelítettségi szabályozással oldatnövekedésben[J]. Journal of Crystal Growth, 2012, 360:176-180.

[5] Chen Yao, Zhao Fuqiang, Zhu Bingxian, He Shuai A szilícium-karbid erőgépek fejlesztésének áttekintése itthon és külföldön [J] Vehicle and Power Technology, 2020: 49-54.

[6] Li X, Wang G. 3C-SiC rétegek CVD növekedése javított morfológiájú 4H-SiC hordozókon[J].Solid State Communications, 2023:371.

[7] Hou Kaiwen a szilícium-mintás szubsztrátumról és annak alkalmazása a 3C-SiC növekedésben [D], 2018.

[8] Lars, Hiller, Thomas és társai. Hydrogen Effects in ECR-Etching of 3C-SiC(100) Mesa Structures[J]. Materials Science Forum, 2014.

[9] Xu Qingfang 3C-SiC vékonyrétegek készítése lézeres kémiai gőzleválasztással [D], 2016.

[10] Foisal A R M , Nguyen T , Dinh T K , et al.3C-SiC/Si Heterostructure: Kiváló platform helyzetérzékeny detektorokhoz a fotovoltaikus effektus alapján[J].ACS Applied Materials & Interfaces, 2019: 409870-40987.

[11] Xin Bin 3C/4H-SiC heteroepitaxiális növekedés a CVD-folyamat alapján: hibajellemzés és evolúció [D].

[12] Dong Lin. A szilícium-karbid nagy területű többlemezes epitaxiális növekedési technológiája [D], 2014.

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