Die Entwicklungsgeschichte von 3C SiC

Als wichtige Form vonSiliziumkarbid, die Entwicklungsgeschichte von3C-SiCspiegelt den kontinuierlichen Fortschritt der Halbleitermaterialwissenschaft wider. In den 1980er Jahren haben Nishino et al. erhielten erstmals 4 µm dicke 3C-SiC-Dünnfilme auf Siliziumsubstraten durch chemische Gasphasenabscheidung (CVD) [1] und legten damit den Grundstein für die 3C-SiC-Dünnfilmtechnologie.

Die 1990er Jahre waren das goldene Zeitalter der SiC-Forschung. Cree Research Inc. brachte 1991 bzw. 1994 6H-SiC- und 4H-SiC-Chips auf den Markt und förderte damit die KommerzialisierungSiC-Halbleiterbauelemente. Der technologische Fortschritt in dieser Zeit legte den Grundstein für die spätere Erforschung und Anwendung von 3C-SiC.

Zu Beginn des 21. Jahrhundertsinländische SiC-Dünnfilme auf Siliziumbasisauch bis zu einem gewissen Grad entwickelt. Ye Zhizhen et al. stellten im Jahr 2002 siliziumbasierte SiC-Dünnfilme durch CVD unter Niedertemperaturbedingungen her [2]. Im Jahr 2001 stellten An Xia et al. stellten dünne SiC-Filme auf Siliziumbasis durch Magnetronsputtern bei Raumtemperatur her [3].

Aufgrund des großen Unterschieds zwischen der Gitterkonstante von Si und der von SiC (ca. 20 %) ist die Defektdichte der 3C-SiC-Epitaxieschicht jedoch relativ hoch, insbesondere bei Zwillingsdefekten wie DPB. Um die Gitterfehlanpassung zu reduzieren, verwenden Forscher 6H-SiC, 15R-SiC oder 4H-SiC auf der (0001)-Oberfläche als Substrat, um eine 3C-SiC-Epitaxieschicht wachsen zu lassen und die Defektdichte zu reduzieren. Im Jahr 2012 haben beispielsweise Seki, Kazuaki et al. schlugen die dynamische polymorphe Epitaxiekontrolltechnologie vor, die das polymorphe selektive Wachstum von 3C-SiC und 6H-SiC auf dem 6H-SiC (0001)-Oberflächenkeim durch Kontrolle der Übersättigung realisiert [4-5]. Im Jahr 2023 nutzten Forscher wie Xun Li die CVD-Methode zur Optimierung des Wachstums und Prozesses und erhielten erfolgreich ein glattes 3C-SiCEpitaxieschichtohne DPB-Defekte auf der Oberfläche auf einem 4H-SiC-Substrat mit einer Wachstumsrate von 14 µm/h[6].

Kristallstruktur und Anwendungsgebiete von 3C SiC

Unter vielen SiCD-Polytypen ist 3C-SiC der einzige kubische Polytyp, auch bekannt als β-SiC. In dieser Kristallstruktur existieren Si- und C-Atome im Verhältnis eins zu eins im Gitter, und jedes Atom ist von vier heterogenen Atomen umgeben, die eine tetraedrische Struktureinheit mit starken kovalenten Bindungen bilden. Das Strukturmerkmal von 3C-SiC besteht darin, dass die zweiatomigen Si-C-Schichten wiederholt in der Reihenfolge ABC-ABC-… angeordnet sind und jede Elementarzelle drei solcher zweiatomiger Schichten enthält, was als C3-Darstellung bezeichnet wird. Die Kristallstruktur von 3C-SiC ist in der folgenden Abbildung dargestellt:

Abbildung 1 Kristallstruktur von 3C-SiC

Derzeit ist Silizium (Si) das am häufigsten verwendete Halbleitermaterial für Leistungsgeräte. Aufgrund der Leistung von Si sind Silizium-basierte Leistungsbauelemente jedoch begrenzt. Im Vergleich zu 4H-SiC und 6H-SiC weist 3C-SiC die höchste theoretische Elektronenmobilität bei Raumtemperatur auf (1000 cm·V-1·S-1) und bietet weitere Vorteile bei MOS-Geräteanwendungen. Gleichzeitig verfügt 3C-SiC auch über hervorragende Eigenschaften wie hohe Durchbruchspannung, gute Wärmeleitfähigkeit, hohe Härte, große Bandlücke, hohe Temperaturbeständigkeit und Strahlungsbeständigkeit. Daher verfügt es über ein großes Potenzial in der Elektronik, Optoelektronik, Sensorik und Anwendungen unter extremen Bedingungen, fördert die Entwicklung und Innovation verwandter Technologien und zeigt ein breites Anwendungspotenzial in vielen Bereichen:

Erstens: Insbesondere in Hochspannungs-, Hochfrequenz- und Hochtemperaturumgebungen ist 3C-SiC aufgrund der hohen Durchbruchspannung und der hohen Elektronenmobilität eine ideale Wahl für die Herstellung von Leistungsbauelementen wie MOSFETs [7]. Zweitens: Die Anwendung von 3C-SiC in Nanoelektronik und mikroelektromechanischen Systemen (MEMS) profitiert von seiner Kompatibilität mit der Siliziumtechnologie, die die Herstellung nanoskaliger Strukturen wie Nanoelektronik und nanoelektromechanischer Geräte ermöglicht [8]. Drittens: Als Halbleitermaterial mit großer Bandlücke eignet sich 3C-SiC für die Herstellung vonblaue Leuchtdioden(LEDs). Seine Anwendung in der Beleuchtungs-, Anzeigetechnik und Lasertechnik hat aufgrund seiner hohen Lichtausbeute und einfachen Dotierung Aufmerksamkeit erregt [9]. Viertens: Gleichzeitig wird 3C-SiC zur Herstellung von positionsempfindlichen Detektoren verwendet, insbesondere von laserpunktpositionsempfindlichen Detektoren, die auf dem lateralen Photovoltaikeffekt basieren, die unter Bedingungen ohne Vorspannung eine hohe Empfindlichkeit zeigen und für eine präzise Positionierung geeignet sind [10] .

3. Herstellungsmethode der 3C-SiC-Heteroepitaxie

Zu den wichtigsten Wachstumsmethoden der 3C-SiC-Heteroepitaxie gehören:chemische Gasphasenabscheidung (CVD), Sublimationsepitaxie (SE), Flüssigphasenepitaxie (LPE), Molekularstrahlepitaxie (MBE), Magnetronsputtern usw. CVD ist aufgrund seiner Kontrollierbarkeit und Anpassungsfähigkeit (wie Temperatur, Gasfluss, Kammerdruck und Reaktionszeit, die die Qualität optimieren kann) die bevorzugte Methode für die 3C-SiC-Epitaxie Epitaxieschicht).

Chemische Gasphasenabscheidung (CVD): Ein Verbindungsgas, das Si- und C-Elemente enthält, wird in die Reaktionskammer geleitet, erhitzt und bei hoher Temperatur zersetzt. Anschließend werden Si-Atome und C-Atome auf dem Si-Substrat oder 6H-SiC, 15R- abgeschieden. SiC, 4H-SiC-Substrat [11]. Die Temperatur dieser Reaktion liegt normalerweise zwischen 1300 und 1500 °C. Zu den üblichen Si-Quellen gehören SiH4, TCS, MTS usw., und zu den C-Quellen gehören hauptsächlich C2H4, C3H8 usw. mit H2 als Trägergas. Der Wachstumsprozess umfasst im Wesentlichen die folgenden Schritte: 1. Die Gasphasenreaktionsquelle wird im Hauptgasstrom zur Abscheidungszone transportiert. 2. In der Grenzschicht findet eine Gasphasenreaktion statt, bei der Dünnschichtvorläufer und Nebenprodukte entstehen. 3. Der Fällungs-, Adsorptions- und Crackprozess des Vorläufers. 4. Die adsorbierten Atome wandern und rekonstruieren sich auf der Substratoberfläche. 5. Die adsorbierten Atome bilden Keime und wachsen auf der Substratoberfläche. 6. Der Massentransport des Abgases nach der Reaktion in die Hauptgasströmungszone und wird aus der Reaktionskammer abgeführt. Abbildung 2 ist ein schematisches Diagramm der CVD [12].

Abbildung 2 Schematische Darstellung von CVD

Methode der Sublimationsepitaxie (SE): Abbildung 3 ist ein experimentelles Strukturdiagramm der SE-Methode zur Herstellung von 3C-SiC. Die Hauptschritte sind die Zersetzung und Sublimation der SiC-Quelle in der Hochtemperaturzone, der Transport der Sublimate sowie die Reaktion und Kristallisation der Sublimate auf der Substratoberfläche bei niedrigerer Temperatur. Die Einzelheiten sind wie folgt: 6H-SiC- oder 4H-SiC-Substrat wird auf die Oberseite des Tiegels gelegt undhochreines SiC-Pulverwird als SiC-Rohmaterial verwendet und am Boden des platziertGraphittiegel. Der Tiegel wird durch Hochfrequenzinduktion auf 1900–2100 °C erhitzt, und die Substrattemperatur wird so gesteuert, dass sie niedriger ist als die der SiC-Quelle, wodurch ein axialer Temperaturgradient im Inneren des Tiegels entsteht, sodass das sublimierte SiC-Material auf dem Substrat kondensieren und kristallisieren kann um 3C-SiC-Heteroepitaxie zu bilden.

Die Vorteile der Sublimationsepitaxie liegen hauptsächlich in zwei Aspekten: 1. Die Epitaxietemperatur ist hoch, wodurch Kristallfehler reduziert werden können. 2. Es kann geätzt werden, um eine geätzte Oberfläche auf atomarer Ebene zu erhalten. Während des Wachstumsprozesses kann jedoch die Reaktionsquelle nicht angepasst werden und das Silizium-Kohlenstoff-Verhältnis, die Zeit, verschiedene Reaktionssequenzen usw. können nicht geändert werden, was zu einer Verschlechterung der Kontrollierbarkeit des Wachstumsprozesses führt.

Abbildung 3 Schematische Darstellung der SE-Methode zum Wachstum von 3C-SiC-Epitaxie

Die Molekularstrahlepitaxie (MBE) ist eine fortschrittliche Dünnschicht-Wachstumstechnologie, die sich für das Wachstum von 3C-SiC-Epitaxieschichten auf 4H-SiC- oder 6H-SiC-Substraten eignet. Das Grundprinzip dieser Methode besteht darin, dass in einer Ultrahochvakuumumgebung durch präzise Steuerung des Quellgases die Elemente der wachsenden Epitaxieschicht erhitzt werden, um einen gerichteten Atomstrahl oder Molekularstrahl zu bilden, der auf die erhitzte Substratoberfläche trifft epitaktisches Wachstum. Die üblichen Bedingungen für den Anbau von 3C-SiCEpitaxieschichtenauf 4H-SiC- oder 6H-SiC-Substraten sind: Unter siliziumreichen Bedingungen werden Graphen und reine Kohlenstoffquellen mit einer Elektronenkanone zu gasförmigen Substanzen angeregt, und als Reaktionstemperatur werden 1200-1350℃ verwendet. Heteroepitaxiales 3C-SiC-Wachstum kann mit einer Wachstumsrate von 0,01–0,1 nms-1 erreicht werden [13].

Fazit und Ausblick

Durch kontinuierlichen technologischen Fortschritt und eingehende Mechanismusforschung wird erwartet, dass die 3C-SiC-Heteroepitaxie-Technologie eine wichtigere Rolle in der Halbleiterindustrie spielt und die Entwicklung hocheffizienter elektronischer Geräte vorantreibt. Beispielsweise ist die weitere Erforschung neuer Wachstumstechniken und -strategien, wie etwa die Einführung einer HCl-Atmosphäre zur Steigerung der Wachstumsrate bei gleichzeitiger Beibehaltung einer niedrigen Defektdichte, die Richtung zukünftiger Forschung; eingehende Forschung zum Mechanismus der Defektbildung und Entwicklung fortschrittlicherer Charakterisierungstechniken wie Photolumineszenz- und Kathodolumineszenzanalyse, um eine präzisere Defektkontrolle zu erreichen und Materialeigenschaften zu optimieren; Das schnelle Wachstum von hochwertigem 3C-SiC-Dickfilm ist der Schlüssel zur Erfüllung der Anforderungen von Hochspannungsgeräten, und weitere Forschung ist erforderlich, um das Gleichgewicht zwischen Wachstumsrate und Materialgleichmäßigkeit zu überwinden. In Kombination mit der Anwendung von 3C-SiC in heterogenen Strukturen wie SiC/GaN werden mögliche Anwendungen in neuen Geräten wie Leistungselektronik, optoelektronischer Integration und Quanteninformationsverarbeitung untersucht.

Referenzen:

[1] Nishino S., Hazuki Y., Matsunami H. et al. Chemische Gasphasenabscheidung einkristalliner β-SiC-Filme auf Siliziumsubstrat mit gesputterter SiC-Zwischenschicht[J].Journal of The Electrochemical Society, 1980, 127(12):2674-2680.

[2] Ye Zhizhen, Wang Yadong, Huang Jingyun, et al. Forschung zum Niedertemperaturwachstum von Siliziumkarbid-Dünnschichten [J]. .

[3] An Xia, Zhuang Huizhao, Li Huaixiang, et al. Herstellung von Nano-SiC-Dünnfilmen durch Magnetronsputtern auf (111) Si-Substrat [Journal of Shandong Normal University: Natural Science Edition, 2001: 382-384]. ..

[4] Seki K, Alexander, Kozawa S, et al. Polytypenselektives Wachstum von SiC durch Übersättigungskontrolle beim Lösungswachstum[J]. Journal of Crystal Growth, 2012, 360:176-180.

[5] Chen Yao, Zhao Fuqiang, Zhu Bingxian, He Shuai Überblick über die Entwicklung von Siliziumkarbid-Stromversorgungsgeräten im In- und Ausland [J], 2020: 49-54.

[6] Li X, Wang G. CVD-Wachstum von 3C-SiC-Schichten auf 4H-SiC-Substraten mit verbesserter Morphologie.

[7] Hou Kaiwen. Forschung zu Si-strukturiertem Substrat und seiner Anwendung beim 3C-SiC-Wachstum [D].

[8]Lars, Hiller, Thomas, et al. Wasserstoffeffekte beim ECR-Ätzen von 3C-SiC(100)-Mesa-Strukturen[J].Materials Science Forum, 2014.

[9] Xu Qingfang. Herstellung von 3C-SiC-Dünnfilmen durch chemische Gasphasenabscheidung mit Laser [D].

[10] Foisal A R M , Nguyen T , Dinh T K , et al.3C-SiC/Si-Heterostruktur: Eine ausgezeichnete Plattform für positionsempfindliche Detektoren basierend auf dem photovoltaischen Effekt[J].ACS Applied Materials & Interfaces, 2019: 40980-40987.

[11] Xin Bin. 3C/4H-SiC-Heteroepitaxie basierend auf dem CVD-Prozess: Defektcharakterisierung und -entwicklung [D].

[12] Dong Lin. Großflächige Multi-Wafer-Epitaxie-Wachstumstechnologie und physikalische Eigenschaften von Siliziumkarbid [D].

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