Analyse van 3C-SiC Hetero-epitaxie

I. Ontwikkelingsgeschiedenis van 3C-SiC

3C-SiC, een cruciale polymorf van siliciumcarbide (SiC), heeft zich ontwikkeld door vooruitgang in de wetenschap van halfgeleidermaterialen. In de jaren 1980 bereikten Nishino et al. voor het eerst 4 µm dikke 3C-SiC films op siliciumsubstraten via chemische dampafzetting (CVD), waarmee de basis werd gelegd voor 3C-SiC dunne-filmtechnologie. De jaren 1990 markeerden een gouden tijdperk voor SiC-onderzoek, waarbij Cree Research Inc. in 1991 en 1994 respectievelijk 6H-SiC en 4H-SiC chips commercialiseerde, wat de commercialisering van SiC-gebaseerde apparaten versnelde.

In het begin van de 21e eeuw vorderde het binnenlandse onderzoek naar SiC-films op basis van silicium. Ye Zhizhen et al. ontwikkelden in 2002 SiC-films op basis van silicium die bij lage temperatuur met CVD werden gekweekt, terwijl An Xia et al. in 2001 SiC-films met magnetron-sputtering bij kamertemperatuur fabriceerden. De grote rooster mismatch (~20%) tussen Si en SiC leidde echter tot hoge defectdichtheden, met name dubbele positiegrenzen (DPB's), in 3C-SiC epilagen. Om dit te verzachten, namen onderzoekers (0001)-georiënteerde 6H-SiC, 15R-SiC of 4H-SiC substraten aan. Seki et al. (2012) waren bijvoorbeeld pioniers in kinetische polymorfe epitaxiale controle om selectief 3C-SiC te kweken op 6H-SiC(0001). In 2023 optimaliseerden Xun Li et al. CVD-parameters om DPB-vrije 3C-SiC epilagen op 4H-SiC substraten te bereiken met groeisnelheden van 14 µm/h.

II. Kristalstructuur en toepassingsgebieden

Van de SiC-polytypen is 3C-SiC (β-SiC) de enige kubische polymorf. De structuur bevat Si- en C-atomen in een verhouding van 1:1, die een tetraëdrisch netwerk vormen met ABC-gestapelde bilayers (C3-notatie). Belangrijke voordelen zijn:

• Hoge elektronenmobiliteit(1000 cm²·V⁻¹·S⁻¹ bij kamertemperatuur), superieur aan 4H/6H-SiC, waardoor efficiënte MOSFET's mogelijk zijn.
• Uitzonderlijke thermische geleidbaarheid(>350 W/m·K) en
• Oplossingen: Spanninggecompenseerde superroosters of gradiëntdotering.(3,2 eV), die toepassingen bij hoge temperaturen (>1000°C) en stralingsbestendige toepassingen ondersteunt.

Breed-spectrum transparantie

1. (UV tot mid-IR) enchemische inertheid, ideaal voor opto-elektronica en sensoren in zware omgevingen.
2. Toepassingen omvatten:Vermogenselektronica:
3. Oplossingen: Spanninggecompenseerde superroosters of gradiëntdotering.<5 × 10¹⁰ cm⁻²·eV⁻¹) voor verminderde gate-lekstroom.MEMS/NEMS:
4. Compatibiliteit met siliciumverwerking maakt nanoschaalapparaten mogelijk (bijv. resonatoren, actuatoren).

Opto-elektronica:

Blauwe LED's en fotodetectoren met hoge externe kwantumefficiëntie (>60%).

Quantumtechnologieën:

Substraat voor supergeleidende films (bijv. MgB₂) in quantumcircuits.

• Figuur 1 Kristalstructuur van 3C-SiC
• III. Hetero-epitaxiale groeimethoden
• Belangrijkste technieken voor 3C-SiC hetero-epitaxie:

Oplossingen: Spanninggecompenseerde superroosters of gradiëntdotering.

Proces: SiH₄/C₂H₄/H₂ mengsels ontleden bij 1300–1500°C op Si- of 4H-SiC-substraten.

• Stappen: Gasfase reacties → precursor adsorptie → oppervlaktemigratie → nucleatie → groei.
• Voordelen: Hoge controle over temperatuur (±0,5°C), druk (50–80 mbar) en gasverhoudingen (C/Si = 0,9–1,2).

2. Sublimatie-epitaxie (SE)

Oplossingen: Spanninggecompenseerde superroosters of gradiëntdotering.

Voordelen: Hoge groeisnelheden (>10 µm/h) en oppervlaktevereffening op atomair niveau.

• Beperkingen: Vaste Si/C-verhoudingen en beperkte procesaanpassing.Figuur 2 CVD-principe-diagram
• 3. Moleculaire Bundel Epitaxie (MBE)

Oplossingen: Spanninggecompenseerde superroosters of gradiëntdotering.

<10⁻¹⁰ mbar), elektronenbundel-verdampt Si/C-bundels bij 1200–1350°C.

• Toepassingen: Lage-defect epilagen (<10³ cm⁻²) voor quantumapparaten.

4. Hybride benaderingen

Bufferlagen: 4H-SiC/3C-SiC heterostructuren met ion-geïmplanteerde interfaces verminderen DPB's (dichtheid

<0,3 cm⁻²).

• HCl-dotering: Verhoogt de groeisnelheden (tot 20 µm/h) en onderdrukt tegelijkertijd defecten.
• Figuur 3 Schematische weergave van 3C-SiC epitaxiale groei met behulp van de SE-methode

IV. Uitdagingen en toekomstige richtingen

• 1. Defectcontrole:Mechanisme: Rooster mismatch (Δa/a ≈ 1,5%) en anisotropie van thermische uitzetting induceren DPB's en stapelfouten.

Oplossingen: Spanninggecompenseerde superroosters of gradiëntdotering.

2. Schaalbaarheid:

• Wafergrootte: Overgang van 4-inch naar 8-inch substraten via verbeterde thermische uniformiteit (

<1°C variatie).

3. Apparaatintegratie:

SiC/GaN Hybriden: 3C-SiC buffers voor GaN-on-SiC HEMTs, die hoge mobiliteit (2000 cm²·V⁻¹·S⁻¹) en thermische dissipatie combineren.

4. Karakterisering: In situ monitoring: Raman-spectroscopie voor real-time defecttracking.