L'histoire du développement du 3C SiC

En tant que 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. a obtenu pour la première fois 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,couches minces SiC domestiques à base de siliciums'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 domaines d'application du SiC 3C

Parmi les nombreux polytypes SiCD, le 3C-SiC est le seul polytype cubique, également connu sous le nom de β-SiC. Dans cette structure cristalline, les atomes de Si et de C existent dans un rapport de un pour 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 de manière répétée dans l'ordre ABC-ABC-…, et chaque cellule unitaire contient trois de ces couches diatomiques, appelées représentation C3 ; la structure cristalline du 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 radiations. Par conséquent, il présente un grand potentiel dans l’électronique, l’optoélectronique, les capteurs et les 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 électroluminescentes 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 son dopage facile [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 à 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 3C SiC

Les principales méthodes de croissance de l'hétéroépitaxie 3C-SiC comprennentdépôt chimique en phase vapeur (CVD), épitaxie par sublimation (SE), épitaxie en phase liquide (LPE), épitaxie par jet moléculaire (MBE), pulvérisation magnétron, etc. Le CVD est la méthode préférée pour l'épitaxie 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 du couche épitaxiale).

Dépôt chimique en phase vapeur (CVD) : un gaz composé contenant des éléments Si et C est introduit dans la chambre de réaction, chauffé et décomposé à haute température, puis les atomes de Si et les atomes de C sont précipités sur le substrat en Si, ou 6H-SiC, 15R- Substrat SiC, 4H-SiC [11]. La température de cette réaction se situe généralement entre 1 300 et 1 500 ℃. Les sources courantes de Si comprennent SiH4, TCS, MTS, etc., et les sources de C comprennent 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 vers la zone de dépôt dans le flux gazeux principal. 2. Une réaction en phase gazeuse se produit dans la couche limite pour générer des précurseurs et des sous-produits en couches minces. 3. Le processus de précipitation, d’adsorption et de craquage du précurseur. 4. Les atomes adsorbés migrent et se reconstruisent à la surface du substrat. 5. Les atomes adsorbés se nucléent et se développent à la surface du substrat. 6. Le transport massif des gaz résiduaires 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 CVD [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 ducreuset en graphite. Le creuset est chauffé à 1 900-2 100 ℃ par induction radiofréquence, et la température du substrat est contrôlée pour être inférieure à celle de la source SiC, formant un gradient de température axial à l'intérieur du creuset, de sorte que le matériau SiC sublimé puisse se condenser et cristalliser sur le substrat. pour former un hétéroépitaxial 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 croissance de l'épitaxie 3C-SiC

L'épitaxie par faisceau moléculaire (MBE) est une technologie avancée de croissance de couches minces, adaptée à la croissance de couches épitaxiales 3C-SiC sur des substrats 4H-SiC ou 6H-SiC. Le principe de base de cette méthode est le suivant : dans un environnement ultra-vide, grâce à un contrôle précis du gaz source, les éléments de la couche épitaxiale en croissance sont chauffés pour former un faisceau atomique directionnel ou un faisceau moléculaire et incident sur la surface du substrat chauffé pendant croissance épitaxiale. Les conditions courantes de culture du 3C-SiCcouches épitaxialessur des substrats 4H-SiC ou 6H-SiC sont : dans des conditions riches en silicium, les sources de graphène et de carbone pur sont excitées en substances gazeuses avec un canon à électrons, et 1 200-1 350 ℃ est utilisée comme température de réaction. La croissance hétéroépitaxiale du 3C-SiC peut être obtenue à un taux de croissance de 0,01 à 0,1 nms-1 [13].

Conclusion et perspectives

Grâce à des progrès technologiques continus et à une recherche approfondie sur les mécanismes, la technologie hétéroépitaxiale 3C-SiC devrait jouer un rôle plus important dans l'industrie des semi-conducteurs et promouvoir le développement de dispositifs électroniques à haut rendement. Par exemple, continuer à explorer de nouvelles techniques et stratégies de croissance, telles que l’introduction d’une atmosphère de HCl pour augmenter le taux de croissance tout en maintenant une faible densité de défauts, constitue l’orientation des recherches futures ; des recherches approfondies sur le mécanisme de formation des défauts et le développement de techniques de caractérisation plus avancées, telles que l'analyse de photoluminescence et de cathodoluminescence, pour obtenir un contrôle plus précis des défauts et optimiser les propriétés des matériaux ; la croissance rapide d'un film épais de haute qualité 3C-SiC 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 des matériaux ; combiné à l'application du 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 chimique en phase vapeur de films β-SiC monocristallins sur un substrat de silicium avec couche intermédiaire de SiC pulvérisée [J]. Journal of The Electrochemical Society, 1980, 127(12):2674-2680.

[2] Ye Zhizhen, Wang Yadong, Huang Jingyun et al. Recherche sur la croissance à basse température de films minces de carbure de silicium à base de silicium [J Journal of Vacuum Science and Technology, 2002, 022(001):58-60]. .

[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 de polytypes de SiC par contrôle de sursaturation dans la croissance en solution [J]. Journal de croissance cristalline, 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. Croissance CVD de couches de 3C-SiC sur des substrats 4H-SiC avec une morphologie améliorée [J].Solid State Communications, 2023 : 371.

[7] Hou Kaiwen. Recherche sur le substrat à motifs Si et son application dans la croissance du 3C-SiC [D].

[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 Applied Materials & Interfaces, 2019 : 40980-40987.

[11] Xin Bin. Croissance hétéroépitaxiale 3C/4H-SiC basée sur le processus CVD : caractérisation et évolution des défauts [D].

[12] Dong Lin. Technologie de croissance épitaxiale multi-wafers sur grande surface et caractérisation des propriétés physiques du carbure de silicium [D].

[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.