L'histoire du développement du 3C SiC

Comme une forme importante decarbure de silicium, l'histoire du développement de3c-siCreflète les progrès continus de la science des matériaux semi-conducteurs. Dans les années 1980, Nishino et al. ont pour la première fois obtenu des films minces 4um 3C-SiC sur des substrats de silicium par dépôt chimique en phase vapeur (CVD) [1], ce qui a jeté les bases de la technologie des couches minces 3C-SiC.

Les années 1990 constituent l’âge d’or de la recherche sur le SiC. Cree Research Inc. a lancé des puces 6H-SiC et 4H-SiC respectivement en 1991 et 1994, favorisant ainsi la commercialisation deDispositifs semi-conducteurs SIC. Les progrès technologiques réalisés au cours de cette période ont jeté les bases des recherches et des applications ultérieures du 3C-SiC.

Au début du 21e siècle,Films minces SIC à base de silicium domestiques'est également développé dans une certaine mesure. Ye Zhizhen et coll. préparé des films minces de SiC à base de silicium par CVD dans des conditions de basse température en 2002 [2]. En 2001, An Xia et al. films minces de SiC à base de silicium préparés par pulvérisation magnétron à température ambiante [3].

Cependant, en raison de la grande différence entre la constante de réseau du Si et celle du SiC (environ 20 %), la densité de défauts de la couche épitaxiale 3C-SiC est relativement élevée, en particulier le défaut double tel que le DPB. Afin de réduire l'inadéquation du réseau, les chercheurs utilisent du 6H-SiC, du 15R-SiC ou du 4H-SiC sur la surface (0001) comme substrat pour développer une couche épitaxiale de 3C-SiC et réduire la densité des défauts. Par exemple, en 2012, Seki, Kazuaki et al. a proposé la technologie de contrôle d'épitaxie polymorphe dynamique, qui réalise la croissance sélective polymorphe du 3C-SiC et du 6H-SiC sur le germe de surface du 6H-SiC (0001) en contrôlant la sursaturation [4-5]. En 2023, des chercheurs tels que Xun Li ont utilisé la méthode CVD pour optimiser la croissance et le processus, et ont réussi à obtenir un 3C-SiC fluide.couche épitaxialesans défauts DPB en surface sur un substrat 4H-SiC à un taux de croissance de 14um/h[6].

Structure cristalline et champs d'application de 3c sic

Parmi de nombreux polytypes SICD, le 3C-SIC est le seul polytype cube, également connu sous le nom de β-SIC. Dans cette structure cristalline, les atomes SI et C existent dans un rapport un à un dans le réseau, et chaque atome est entouré de quatre atomes hétérogènes, formant une unité structurelle tétraédrique avec de fortes liaisons covalentes. La caractéristique structurelle du 3C-SIC est que les couches diatomiques SI-C sont disposées à plusieurs reprises dans l'ordre d'ABC-ABC-…, et chaque cellule unitaire contient trois couches diatomiques de ce type, qui est appelée représentation C3; La structure cristalline de 3C-SIC est illustrée dans la figure ci-dessous:

Figure 1 Structure cristalline du 3C-SiC

Actuellement, le silicium (Si) est le matériau semi-conducteur le plus couramment utilisé pour les dispositifs électriques. Cependant, en raison des performances du Si, les dispositifs de puissance à base de silicium sont limités. Comparé au 4H-SiC et au 6H-SiC, le 3C-SiC possède la mobilité électronique théorique la plus élevée à température ambiante (1 000 cm·V-1·S-1) et présente davantage d'avantages dans les applications de dispositifs MOS. Dans le même temps, le 3C-SiC possède également d'excellentes propriétés telles qu'une tension de claquage élevée, une bonne conductivité thermique, une dureté élevée, une large bande interdite, une résistance aux températures élevées et une résistance aux rayonnements. Par conséquent, il présente un grand potentiel dans les domaines de l’électronique, de l’optoélectronique, des capteurs et des applications dans des conditions extrêmes, favorisant le développement et l’innovation de technologies connexes et montrant un large potentiel d’application dans de nombreux domaines :

Premièrement : en particulier dans les environnements à haute tension, haute fréquence et haute température, la tension de claquage élevée et la mobilité électronique élevée du 3C-SiC en font un choix idéal pour la fabrication de dispositifs de puissance tels que le MOSFET [7]. Deuxièmement : l’application du 3C-SiC dans la nanoélectronique et les systèmes microélectromécaniques (MEMS) bénéficie de sa compatibilité avec la technologie du silicium, permettant la fabrication de structures à l’échelle nanométrique telles que la nanoélectronique et les dispositifs nanoélectromécaniques [8]. Troisièmement : en tant que matériau semi-conducteur à large bande interdite, le 3C-SiC convient à la fabrication deDiodes émettantes bleues(LED). Son application dans l’éclairage, la technologie d’affichage et les lasers a attiré l’attention en raison de son efficacité lumineuse élevée et de sa facilité de dopage [9]. Quatrièmement : dans le même temps, le 3C-SiC est utilisé pour fabriquer des détecteurs sensibles à la position, en particulier des détecteurs sensibles à la position par point laser basés sur l'effet photovoltaïque latéral, qui présentent une sensibilité élevée dans des conditions de polarisation nulle et conviennent à un positionnement précis [10] .

3. Méthode de préparation de l'hétéroépitaxie SIC 3C

Les principales méthodes de croissance de l'hétéroépitaxie 3C-SiC comprennentdépôt chimique en phase vapeur (CVD), épitaxie par sublimation (SE), Epitaxy à phase liquide (LPE), Epitaxy du faisceau moléculaire (MBE), pulvérisation de magnétron, etc. Le CVD est la méthode préférée pour l'épitaxy 3C-SIC en raison de sa contrôlabilité et de son adaptabilité (telles que la température, le débit de gaz, la pression de la chambre et le temps de réaction, qui peuvent optimiser la qualité de la qualité de la température couche épitaxiale).

Dépôt de vapeur chimique (CVD): un gaz composé contenant des éléments Si et C est passé dans la chambre de réaction, chauffé et décomposé à haute température, puis les atomes de Si et les atomes C sont précipités sur le substrat de Si, ou 6H-SIC, 15r- SIC, substrat 4H-SIC [11]. La température de cette réaction se situe généralement entre 1300 et 1500 ℃. Les sources de SI communes comprennent SIH4, TCS, MTS, etc., et les sources C incluent principalement C2H4, C3H8, etc., avec H2 comme gaz porteur. Le processus de croissance comprend principalement les étapes suivantes: 1. La source de réaction en phase gazeuse est transportée dans la zone de dépôt dans le flux de gaz principal. 2. La réaction de phase gazeuse se produit dans la couche limite pour générer des précurseurs et des sous-produits à couches minces. 3. Le processus de précipitation, d'adsorption et de fissuration du précurseur. 4. Les atomes adsorbés migrent et reconstruisent sur la surface du substrat. 5. Les atomes adsorbés nucléés et se développent sur la surface du substrat. 6. Le transport de masse du gaz déchet après la réaction dans la zone d'écoulement de gaz principale et est retiré de la chambre de réaction. La figure 2 est un diagramme schématique de la MCV [12].

Figure 2 Diagramme schématique du CVD

Méthode d'épitaxie par sublimation (SE) : La figure 3 est un diagramme de structure expérimentale de la méthode SE pour préparer du 3C-SiC. Les principales étapes sont la décomposition et la sublimation de la source de SiC dans la zone à haute température, le transport des sublimés, ainsi que la réaction et la cristallisation des sublimés sur la surface du substrat à plus basse température. Les détails sont les suivants : un substrat 6H-SiC ou 4H-SiC est placé sur le dessus du creuset, etpoudre de sic de haute puretéest utilisé comme matière première SiC et placé au fond duCrucible en graphite. Le creuset est chauffé à 1900-2100 ℃ par induction par radiofréquence, et la température du substrat est contrôlée pour être inférieure à la source SIC, formant un gradient de température axial à l'intérieur du creuse pour former une hétéroépitaxiale 3C-SIC.

Les avantages de l'épitaxie par sublimation résident principalement dans deux aspects : 1. La température d'épitaxie est élevée, ce qui peut réduire les défauts cristallins ; 2. Il peut être gravé pour obtenir une surface gravée au niveau atomique. Cependant, pendant le processus de croissance, la source de réaction ne peut pas être ajustée et le rapport silicium-carbone, la durée, les diverses séquences de réaction, etc. ne peuvent pas être modifiés, ce qui entraîne une diminution de la contrôlabilité du processus de croissance.

Figure 3 Diagramme schématique de la méthode SE pour la culture de l'épitaxy 3C-SIC

L'épitaxy du faisceau moléculaire (MBE) est une technologie de croissance avancée des couches minces, qui convient à la croissance des couches épitaxiales 3C-SIC sur des substrats 4H-SIC ou 6H-SIC. Le principe de base de cette méthode est: dans un environnement sous vide ultra-élevé, par un contrôle précis du gaz source, les éléments de la couche épitaxiale croissante sont chauffés pour former un faisceau atomique ou une poutre moléculaire et un incident sur la surface chauffée du substrat pour la surface du substrat chauffé pour croissance épitaxiale. Les conditions courantes pour la culture du 3C-SICcouches épitaxialesSur 4H-SIC ou 6H-SIC Les substrats sont: dans des conditions riches en silicium, les sources de graphène et de carbone pur sont excitées dans des substances gazeuses avec un pistolet électronique, et 1200-1350 ℃ est utilisé comme température de réaction. La croissance hétéroépitaxiale 3C-SIC peut être obtenue à un taux de croissance de 0,01-0,1 NMS-1 [13].

Conclusion et perspectives

Grâce à des progrès technologiques continus et à la recherche approfondie des mécanismes, la technologie hétéroépitaxiale 3C-SIC devrait jouer un rôle plus important dans l'industrie des semi-conducteurs et favoriser le développement de dispositifs électroniques à haute efficacité. Par exemple, continuer d'explorer de nouvelles techniques et stratégies de croissance, telles que l'introduction de l'atmosphère HCL pour augmenter le taux de croissance tout en maintenant une faible densité de défauts, est la direction de la recherche future; Des recherches approfondies sur le mécanisme de formation des défauts et le développement de techniques de caractérisation plus avancées, telles que la photoluminescence et l'analyse de la cathodoluminescence, pour obtenir un contrôle plus précis des défauts et optimiser les propriétés des matériaux; La croissance rapide du film 3C-SIC de haute qualité est la clé pour répondre aux besoins des dispositifs à haute tension, et des recherches supplémentaires sont nécessaires pour surmonter l'équilibre entre le taux de croissance et l'uniformité matérielle; Combiné avec l'application de 3C-SIC dans des structures hétérogènes telles que SIC / GAN, explorez ses applications potentielles dans de nouveaux dispositifs tels que l'électronique de puissance, l'intégration optoélectronique et le traitement de l'information quantique.

Références :

[1] Nishino S, Hazuki Y, Matsunami H, et al. Dépôt de vapeur chimique des films β - sic monocristallins sur un substrat de silicium avec couche intermédiaire sic pulvérisée [J] .Journal de la Société électrochimique, 1980, 127 (12): 2674-2680.

[2] Ye Zhizhen, Wang Yadong, Huang Jingyun, et al.

[3] An Xia, Zhuang Huizhao, Li Huaixiang et al. Préparation de films minces de nano-SiC par pulvérisation magnétron sur un substrat de Si (111) [J Journal of Shandong Normal University : Natural Science Edition, 2001 : 382-384]. ..

[4] Seki K, Alexander, Kozawa S, et al. Croissance sélective polytype du SIC par contrôle de sursaturation dans la croissance de la solution [J]. Journal of Crystal Growth, 2012, 360: 176-180.

[5] Chen Yao, Zhao Fuqiang, Zhu Bingxian, He Shuai Aperçu du développement des dispositifs électriques en carbure de silicium au pays et à l'étranger [J] Vehicle and Power Technology, 2020 : 49-54.

[6] Li X, Wang G .CVD Croissance des couches 3C-SIC sur les substrats 4H-SIC avec une morphologie améliorée [J]. Solid State Communications, 2023: 371.

[7] Hou Kaiwen.

[8]Lars, Hiller, Thomas et al. Effets de l'hydrogène dans la gravure ECR des structures Mesa 3C-SiC (100) [J]. Materials Science Forum, 2014.

[9] Xu Qingfang. Préparation de films minces 3C-SiC par dépôt chimique en phase vapeur au laser [D].

[10] Foisal A R M, Nguyen T, Dinh T K, et al.3C-SIC / SI Hétérostructure: une excellente plate-forme pour les détecteurs sensibles à la position basés sur l'effet photovoltaïque [J] .ACS MATÉRIAUX APPLIQUES ET INTERFACES, 2019: 40980-40987.

[11] Xin Bin.

[12] Dong Lin.

[13] Diani M, Simon L, Kubler L, et al. Croissance cristalline du polytype 3C-SiC sur substrat 6H-SiC (0001) [J]. Journal de croissance cristalline, 2002, 235(1):95-102.