Analyse de l'hétéroépitaxie 3C-SiC

I. Historique du développement du 3C-SiC

Le 3C-SiC, un polymorphe critique du carbure de silicium (SiC), a évolué grâce aux progrès de la science des matériaux semi-conducteurs.pour la première fois obtenu des films 3C-SiC de 4 μm d'épaisseur sur des substrats de silicium par dépôt de vapeur chimique (CVD)Les années 1990 ont marqué une ère d'or pour la recherche en SiC, avec Cree Research Inc. commercialisant des puces 6H-SiC et 4H-SiC en 1991 et 1994, respectivement.,accélérer la commercialisation des dispositifs à base de SiC.

Au début du 21e siècle, la recherche nationale sur les films SiC à base de silicium a progressé.films SiC pulvérisés au magnétron à température ambiante en 2001Cependant, le grand décalage de réseau (~ 20%) entre le Si et le SiC a conduit à des densités de défauts élevées, en particulier des limites de double position (DPB), dans les épilateurs 3C-SiC.Les chercheurs ont adopté le 6H-SiC orienté (0001)Par exemple, Seki et al. (2012) ont été les pionniers du contrôle épitaxial polymorphe cinétique pour faire pousser sélectivement du 3C-SiC sur 6H-SiC (0001).paramètres de VDC optimisés pour obtenir des épilateurs 3C-SiC sans DPB sur des substrats 4H-SiC à des taux de croissance de 14 μm/h.

II. Structure cristalline et domaines d'application

Parmi les polytypes de SiC, le 3C-SiC (β-SiC) est le seul polymorphe cubique.Les principaux avantages comprennent::

• Mobilité électronique élevée.Les MOSFET sont des systèmes qui utilisent une large gamme de matériaux, dont la taille est supérieure à celle de 4H/6H-SiC (1000 cm2·V−1·S−1 à température ambiante).
• Conductivité thermique exceptionnelle.> 350 W/m·K) et une large bande passante (3,2 eV), permettant des applications à haute température (> 1000°C) et résistantes aux rayonnements.
• Je suis désolée.Transparence du large spectre(UV à infrarouge moyen) et l'inertie chimique, idéale pour l'optoélectronique et les capteurs environnementaux difficiles.

Les applications sont:

1. L' électronique électrique:MOSFET haute tension/haute fréquence utilisant une faible densité de piège d'interface (par exemple, <5 × 1010 cm−2·eV−1) pour réduire les fuites de porte.
2. MEMS/NEMS:La compatibilité avec le traitement du silicium permet des dispositifs à l'échelle nanométrique (par exemple, des résonateurs, des actionneurs).
3. Je suis désolée.Optoélectronique:LED bleues et photodétecteurs à haut rendement quantique externe (> 60%).
4. Les technologies quantiques:Substrate pour des films supraconducteurs (par exemple, MgB2) dans les circuits quantiques.

Figure 1 Structure cristalline du 3C-SiC

III. Méthodes de croissance hétéroépitaxienne

Les techniques clés pour l'hétéroépitaxie 3C-SiC:

1. dépôt chimique de vapeur (CVD)

• Processus : les mélanges de SiH4/C2H4/H2 se décomposent à 1300°C à 1500°C sur des substrats de Si ou de 4H-SiC.
• Étapes : réactions en phase gazeuse → adsorption du précurseur → migration de surface → nucléation → croissance.
• Avantages: une grande maîtrise de la température (± 0,5°C), de la pression (50 ‰ 80 mbar) et des rapports de gaz (C/Si = 0,9 ‰ 1,2).

Je suis désolée.

2Epitaxie par sublimation (SE)

• Installation : poudre de SiC dans un creuset de graphite chauffé à 1900 ∼ 2100 °C; vapeur de SiC se condense sur un substrat plus froid.
• Avantages : taux de croissance élevés (> 10 μm/h) et lissage de la surface à l'échelle atomique.
• Limitations : rapports Si/C fixes et réglabilité limitée du procédé.

Figure 2 Diagramme des principes de la maladie cardiovasculaire

Je suis désolée.

3Épitaxie par faisceau moléculaire (MBE)

• Conditions : sous vide ultra-haute (<10−10 mbar), faisceaux de Si/C évaporés par faisceau d'électrons à 1200°C à 1350°C.
• Applications : épilateurs à faible défectuosité (< 103 cm−2) pour appareils quantiques.

Je suis désolée.

4Approches hybrides

• Couches tampons: les hétérostructures 4H-SiC/3C-SiC avec des interfaces implantées dans des ions réduisent les DPB (densité < 0,3 cm−2).
• Dopage par HCl: augmente les taux de croissance (jusqu'à 20 μm/h) tout en supprimant les défauts.

Figure 3 Diagramme schématique de la croissance épitaxielle 3C-SiC selon la méthode SE

IV. Défis et orientations futures

1. contrôle des défauts:

• Mécanisme : le décalage de la grille (Δa/a ≈ 1,5%) et l'anisotropie de l'expansion thermique induisent des DPB et des défauts d'empilement.
• Solution: superréseaux compensés par contrainte ou dopage par gradient.

2Évolutivité:

• Taille de la gaufre: transition de 4 pouces à 8 pouces de substrats grâce à une uniformité thermique améliorée (variation < 1 °C).

Je suis désolée.

3Intégration des appareils:

• Hybrides SiC/GaN : tampons 3C-SiC pour les HEMT GaN-sur-SiC, combinant une grande mobilité (2000 cm2·V−1·S−1) et une dissipation thermique.

4. Caractérisation:

• Surveillance in situ: spectroscopie Raman pour le suivi des défauts en temps réel.

V. Conclusion

L'hétéroépitaxie 3C-SiC comble l'écart de performance entre le silicium et les semi-conducteurs à large bande.La production de produits électroniques de puissance de nouvelle générationLes travaux futurs se concentreront sur l'ingénierie des défauts à l'échelle atomique et les hétérostructures hybrides pour débloquer les applications cryogéniques et à ultra-haute fréquence (> 100 GHz).

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