Ανάλυση της Ετεροεπιταξίας 3C-SiC

I. Ιστορική εξέλιξη του 3C-SiC

Το 3C-SiC, μια κρίσιμη πολυμορφική μορφή του καρβιδίου του πυριτίου (SiC), έχει εξελιχθεί μέσω των προόδων στην επιστήμη των υλικών ημιαγωγών. Τη δεκαετία του 1980, οι Nishino et al. πέτυχαν για πρώτη φορά φιλμ 3C-SiC πάχους 4 µm σε υποστρώματα πυριτίου μέσω χημικής εναπόθεσης ατμών (CVD), θέτοντας τα θεμέλια για την τεχνολογία λεπτών φιλμ 3C-SiC. Η δεκαετία του 1990 σηματοδότησε μια χρυσή εποχή για την έρευνα του SiC, με την Cree Research Inc. να εμπορευματοποιεί τσιπ 6H-SiC και 4H-SiC το 1991 και το 1994, αντίστοιχα, επιταχύνοντας την εμπορευματοποίηση συσκευών με βάση το SiC.

Στις αρχές του 21ου αιώνα, η εγχώρια έρευνα για φιλμ SiC με βάση το πυρίτιο προχώρησε. Οι Ye Zhizhen et al. ανέπτυξαν φιλμ SiC με βάση το πυρίτιο που καλλιεργήθηκαν με CVD χαμηλής θερμοκρασίας το 2002, ενώ οι An Xia et al. κατασκεύασαν φιλμ SiC με ψεκασμό μαγνητρονίου σε θερμοκρασία δωματίου το 2001. Ωστόσο, η μεγάλη ασυμφωνία πλέγματος (~20%) μεταξύ Si και SiC οδήγησε σε υψηλές πυκνότητες ελαττωμάτων, ιδιαίτερα σε διπλά όρια θέσης (DPBs), σε επιλεία 3C-SiC. Για να το μετριάσουν αυτό, οι ερευνητές υιοθέτησαν υποστρώματα 6H-SiC, 15R-SiC ή 4H-SiC με προσανατολισμό (0001). Για παράδειγμα, οι Seki et al. (2012) πρωτοπόρησαν στον κινητικό πολυμορφικό επιταξιακό έλεγχο για την επιλεκτική ανάπτυξη 3C-SiC σε 6H-SiC(0001). Μέχρι το 2023, οι Xun Li et al. βελτιστοποίησαν τις παραμέτρους CVD για να επιτύχουν επιλεία 3C-SiC χωρίς DPB σε υποστρώματα 4H-SiC με ρυθμούς ανάπτυξης 14 µm/h.

II. Κρυσταλλική δομή και τομείς εφαρμογής

Μεταξύ των πολυτύπων SiC, το 3C-SiC (β-SiC) είναι η μόνη κυβική πολυμορφική μορφή. Η δομή του διαθέτει άτομα Si και C σε αναλογία 1:1, σχηματίζοντας ένα τετραεδρικό δίκτυο με διπλά στρώματα ABC (σύμβολο C3). Τα βασικά πλεονεκτήματα περιλαμβάνουν:

• Υψηλή κινητικότητα ηλεκτρονίων (1000 cm²·V⁻¹·S⁻¹ σε θερμοκρασία δωματίου), ανώτερη από το 4H/6H-SiC, επιτρέποντας αποτελεσματικά MOSFETs.
• Εξαιρετική θερμική αγωγιμότητα (>350 W/m·K) και ​​ευρύ χάσμα ζώνης​​ (3.2 eV), υποστηρίζοντας εφαρμογές υψηλής θερμοκρασίας (>1000°C) και σκληρυμένες από ακτινοβολία.
• ​​Διαφάνεια ευρέος φάσματος (UV έως mid-IR) και ​​χημική αδράνεια​​, ιδανικό για οπτοηλεκτρονική και αισθητήρες σκληρού περιβάλλοντος.

Οι εφαρμογές περιλαμβάνουν:

1. Ηλεκτρονικά ισχύος: MOSFETs υψηλής τάσης/υψηλής συχνότητας που αξιοποιούν τη χαμηλή πυκνότητα παγίδων διεπαφής (π.χ., <5 × 10¹⁰ cm⁻²·eV⁻¹) για μειωμένη διαρροή πύλης.
2. MEMS/NEMS: Η συμβατότητα με την επεξεργασία πυριτίου επιτρέπει συσκευές νανοκλίμακας (π.χ., αντηχητές, ενεργοποιητές).
3. ​​Οπτοηλεκτρονική: Μπλε LED και φωτοανιχνευτές με υψηλή εξωτερική κβαντική απόδοση (>60%).
4. Τεχνολογίες κβαντικής: Υπόστρωμα για υπεραγώγιμα φιλμ (π.χ., MgB₂) σε κβαντικά κυκλώματα.

Εικόνα 1 Κρυσταλλική δομή του 3C-SiC

​​III. Μέθοδοι ετεροεπιταξιακής ανάπτυξης

Βασικές τεχνικές για την ετεροεπιταξία 3C-SiC:

1. Χημική εναπόθεση ατμών (CVD)

• Διαδικασία: Τα μείγματα SiH₄/C₂H₄/H₂ αποσυντίθενται στους 1300–1500°C σε υποστρώματα Si ή 4H-SiC.
• Βήματα: Αντιδράσεις αέριας φάσης → προσρόφηση προδρόμου → μετανάστευση επιφάνειας → πυρηνοποίηση → ανάπτυξη.
• Πλεονεκτήματα: Υψηλός έλεγχος της θερμοκρασίας (±0.5°C), της πίεσης (50–80 mbar) και των αναλογιών αερίου (C/Si = 0.9–1.2).

​​

2. Επιταξία εξάχνωσης (SE)

• Ρύθμιση: Σκόνη SiC σε χωνευτήριο γραφίτη θερμαινόμενο στους 1900–2100°C; οι ατμοί SiC συμπυκνώνονται σε ένα ψυχρότερο υπόστρωμα.
• Οφέλη: Υψηλοί ρυθμοί ανάπτυξης (>10 µm/h) και εξομάλυνση επιφάνειας σε ατομική κλίμακα.
• Περιορισμοί: Σταθερές αναλογίες Si/C και περιορισμένη προσαρμοστικότητα της διαδικασίας.

Εικόνα 2 Διάγραμμα αρχής CVD

​​

3. Επιταξία μοριακής δέσμης (MBE)

• Συνθήκες: Εξαιρετικά υψηλό κενό (<10⁻¹⁰ mbar), δέσμες Si/C που εξατμίζονται με δέσμη ηλεκτρονίων στους 1200–1350°C.
• Εφαρμογές: Επιλεία χαμηλών ελαττωμάτων (<10³ cm⁻²) για κβαντικές συσκευές.

​​

4. Υβριδικές προσεγγίσεις

• Ενδιάμεσα στρώματα: Ετεροδομές 4H-SiC/3C-SiC με διεπαφές εμφυτευμένες με ιόντα μειώνουν τα DPBs (πυκνότητα <0.3 cm⁻²).
• Διαμόρφωση HCl: Αυξάνει τους ρυθμούς ανάπτυξης (έως 20 µm/h) ενώ καταστέλλει τα ελαττώματα.

Εικόνα 3 Σχηματικό διάγραμμα της επιταξιακής ανάπτυξης 3C-SiC χρησιμοποιώντας τη μέθοδο SE

​​IV. Προκλήσεις και μελλοντικές κατευθύνσεις

1. Έλεγχος ελαττωμάτων:

• Μηχανισμός: Η ασυμφωνία πλέγματος (Δa/a ≈ 1.5%) και η ανισοτροπία θερμικής διαστολής προκαλούν DPBs και ελαττώματα στοίβαξης.
• Λύσεις: Υπερπλέγματα αντισταθμισμένης τάσης ή διαβάθμιση ντόπινγκ.

2. Κλιμάκωση:

• Μέγεθος δίσκου: Μετάβαση από υποστρώματα 4 ιντσών σε 8 ιντσών μέσω βελτιωμένης θερμικής ομοιομορφίας (<1°C διακύμανση).

​​

3. Ενσωμάτωση συσκευών:

• Υβρίδια SiC/GaN: 3C-SiC buffers για GaN-on-SiC HEMTs, συνδυάζοντας υψηλή κινητικότητα (2000 cm²·V⁻¹·S⁻¹) και θερμική απαγωγή.

4. Χαρακτηρισμός:

• Παρακολούθηση in situ: Φασματοσκοπία Raman για παρακολούθηση ελαττωμάτων σε πραγματικό χρόνο.

V. Συμπέρασμα

Η ετεροεπιταξία 3C-SiC γεφυρώνει το χάσμα απόδοσης μεταξύ πυριτίου και ημιαγωγών ευρείας ζώνης. Οι εξελίξεις στην ανάπτυξη CVD/MBE και ο μετριασμός των ελαττωμάτων (π.χ., CVD με βοήθεια HCl) επιτρέπουν την κλιμακούμενη παραγωγή για ηλεκτρονικά ισχύος επόμενης γενιάς, συσκευές RF και κβαντικά συστήματα. Η μελλοντική εργασία θα επικεντρωθεί στη μηχανική ελαττωμάτων σε ατομική κλίμακα και στις υβριδικές ετεροδομές για να ξεκλειδώσουν εφαρμογές εξαιρετικά υψηλής συχνότητας (>100 GHz) και κρυογονικές.

Η ZMSH Advanced Materials προσφέρει ολοκληρωμένες λύσεις καρβιδίου του πυριτίου (SiC), συμπεριλαμβανομένων ​​υποστρωμάτων 3C-N-type SiC​​ προσαρμοσμένων για ηλεκτρονικά ισχύος υψηλής απόδοσης και συσκευές RF. Οι προσαρμόσιμες υπηρεσίες επεξεργασίας μας φιλοξενούν διάφορες γεωμετρίες (π.χ., δίσκους, πλινθώματα) και διαστάσεις (έως δίσκους 12 ιντσών), αντιμετωπίζοντας εφαρμογές σε μετατροπείς EV, επικοινωνία 5G και βιομηχανικούς αισθητήρες.