Analisi dell' eteroepitaxia 3C-SiC

I. Storia dello sviluppo del 3C-SiC

Il 3C-SiC, un polimorfo critico del carburo di silicio (SiC), si è evoluto attraverso i progressi nella scienza dei materiali semiconduttori.per la prima volta ottenuto film 3C-SiC di spessore di 4 μm su substrati di silicio mediante deposizione chimica a vapore (CVD)Gli anni '90 hanno segnato un'era d'oro per la ricerca sul SiC, con Cree Research Inc. che ha commercializzato i chip 6H-SiC e 4H-SiC rispettivamente nel 1991 e nel 1994.,accelerare la commercializzazione dei dispositivi a base di SiC.

All'inizio del 21 ° secolo, la ricerca nazionale sui film SiC a base di silicio è progredita.pellicole di SiC sputter di magnetrone fabbricate a temperatura ambiente nel 2001Tuttavia, l'elevato disallineamento della griglia (circa il 20%) tra Si e SiC ha portato ad elevate densità di difetti, in particolare i confini di doppia posizione (DPB), negli epilacchi 3C-SiC.I ricercatori hanno adottato il 6H-SiC orientato (0001)Per esempio, Seki et al. (2012) sono stati pionieri nel controllo epitaxiale polimorfico cinetico per far crescere selettivamente 3C-SiC su 6H-SiC(0001).parametri CVD ottimizzati per ottenere epilieri 3C-SiC privi di DPB su substrati 4H-SiC a tassi di crescita di 14 μm/h.

II. Struttura cristallina e campi di applicazione

Tra i politipi di SiC, 3C-SiC (β-SiC) è l'unico polimorfo cubico.I principali vantaggi sono::

• Alta mobilità elettronica.(1000 cm2·V−1·S−1 a temperatura ambiente), superiore a 4H/6H-SiC, consentendo MOSFET efficienti.
• Conducibilità termica eccezionale.(> 350 W/m·K) e ampia banda (3,2 eV), supportando applicazioni ad alta temperatura (> 1000°C) e resistenti alle radiazioni.
• - Sì.Trasparenza di ampio spettro(UV a medio infrarosso) e inerzia chimica, ideale per l'optoelettronica e per sensori per ambienti difficili.

Applicazioni:

1. Potenza elettronica:MOSFET ad alta tensione/alta frequenza che sfruttano una bassa densità di trappola di interfaccia (ad esempio <5 × 1010 cm−2·eV−1) per ridurre le perdite di gate.
2. MEMS/NEMS:La compatibilità con la lavorazione del silicio consente dispositivi su scala nanometrica (ad esempio, risonatori, attuatori).
3. - Sì.Optoelettronica:LED blu e fotodetettori con elevata efficienza quantistica esterna (> 60%).
4. Tecnologie Quantistiche:Substrato per film superconduttori (ad esempio MgB2) nei circuiti quantistici.

Figura 1 Struttura cristallina del 3C-SiC

III. Metodi di crescita eteroepitaxiana

Tecniche chiave per l'eteroepitaxia 3C-SiC:

1. Deposizione chimica a vapore (CVD)

• Processo: le miscele SiH4/C2H4/H2 si decompongono a 1300°C a 1500°C su substrati di Si o 4H-SiC.
• Passi : reazioni in fase gassosa → assorbimento dei precursori → migrazione superficiale → nucleazione → crescita.
• Vantaggi: elevata regolabilità della temperatura (± 0,5°C), della pressione (5080 mbar) e dei rapporti di gas (C/Si = 0,91,2).

- Sì.

2Epitaxia da sublimazione (SE)

• Configurazione: polvere di SiC in un crogiolo di grafite riscaldato a 1900 ∼ 2100 °C; vapore di SiC si condensa su un substrato più freddo.
• Vantaggi: elevati tassi di crescita (> 10 μm/h) e levigamento superficiale su scala atomica.
• Limitazioni: rapporti fissi Si/C e regolabilità limitata del processo.

Figura 2 Diagramma dei principi della CVD

- Sì.

3Epitaxia del fascio molecolare (MBE)

• Condizioni: vuoto ultraelevato (<10−10 mbar), raggi di Si/C evaporati da fascio di elettroni a 1200°C.
• Applicazioni: Epilazioni a basso difetto (< 103 cm−2) per dispositivi quantistici.

- Sì.

4Approcci ibridi.

• Strati tampone: eterostrutture 4H-SiC/3C-SiC con interfacce impiantate con ioni riducono i DPB (densità < 0,3 cm−2).
• Doping HCl: aumenta i tassi di crescita (fino a 20 μm/h) mentre sopprime i difetti.

Figura 3 Diagramma schematico della crescita epitaxiale 3C-SiC con il metodo SE

IV. Sfide e prospettive

1. Controllo dei difetti:

• Meccanismo: l'inadeguatezza del reticolo (Δa/a ≈ 1,5%) e l'anisotropia di espansione termica inducono DPB e difetti di impilazione.
• Soluzioni: superreticolo compensato da deformazioni o doping gradiente.

2. Scalabilità:

• Dimensione del wafer: transizione da substrati da 4 a 8 pollici attraverso una migliore uniformità termica (variazione < 1 °C).

- Sì.

3Integrazione dei dispositivi:

• Ibridi SiC/GaN: tamponi 3C-SiC per HEMT GaN-on-SiC, combinando elevata mobilità (2000 cm2·V−1·S−1) e dissipazione termica.

4. Caratterizzazione:

• Monitoraggio in situ: spettroscopia Raman per il monitoraggio dei difetti in tempo reale.

V. Conclusione

3C-SiC heteroepitaxy colma il divario di prestazioni tra il silicio e i semiconduttori a banda larga.CVD assistito da HCl) consentono la produzione scalabile di elettronica di potenza di nuova generazioneI lavori futuri si concentreranno sull'ingegneria dei difetti su scala atomica e sulle eterostrutture ibride per sbloccare applicazioni ad altissima frequenza (> 100 GHz) e criogeniche.

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