Análise da heteroepitaxia 3C-SiC

I. Histórico de desenvolvimento do 3C-SiC

O 3C-SiC, um polimorfo crítico do carburo de silício (SiC), evoluiu através de avanços na ciência de materiais semicondutores.pela primeira vez obtido filmes 3C-SiC de 4 μm de espessura em substratos de silício através de deposição química de vapor (CVD)A década de 1990 marcou uma era de ouro para a pesquisa em SiC, com a Cree Research Inc. comercializando chips 6H-SiC e 4H-SiC em 1991 e 1994, respectivamente.,acelerar a comercialização de dispositivos à base de SiC.

No início do século XXI, a pesquisa doméstica sobre filmes de SiC à base de silício progrediu.Películas de SiC fabricadas a temperatura ambiente pulverizadas por magnetron em 2001No entanto, o grande desajuste de rede (~ 20%) entre Si e SiC levou a altas densidades de defeito, particularmente limites de dupla posição (DPBs), em epilacas 3C-SiC.Os investigadores adotaram o 6H-SiC orientado para (0001)Por exemplo, Seki et al. (2012) foram pioneiros no controle epitaxial cinético polimórfico para cultivar seletivamente 3C-SiC em 6H-SiC(0001).Parâmetros de DVC otimizados para obter epífitas 3C-SiC sem DPB em substratos 4H-SiC a taxas de crescimento de 14 μm/h.

II. Estrutura cristalina e domínios de aplicação

Entre os politipos de SiC, o 3C-SiC (β-SiC) é o único polimorfo cúbico. Sua estrutura apresenta átomos de Si e C em uma proporção de 1:1, formando uma rede tetraédrica com bicamadas empilhadas em ABC (notação C3).As principais vantagens incluem::

• Alta mobilidade de elétrons.(1000 cm2·V−1·S−1 à temperatura ambiente), superior a 4H/6H-SiC, permitindo MOSFETs eficientes.
• Excepcional condutividade térmica.(> 350 W/m·K) e largos intervalos de banda (3,2 eV), suportando aplicações de alta temperatura (> 1000°C) e resistentes à radiação.
• - Não.Transparência de amplo espectro(UV a infravermelho médio) e inércia química, ideal para optoeletrónica e sensores de ambiente hostil.

Aplicações:

1. Eletrónica de Potência:MOSFETs de alta tensão/alta frequência com baixa densidade de armadilha de interface (por exemplo, <5 × 1010 cm−2·eV−1) para reduzir a fuga de portões.
2. MEMS/NEMS:A compatibilidade com o processamento de silício permite dispositivos em nanoescala (por exemplo, ressonadores, atuadores).
3. - Não.Optoeletrónica:LEDs azuis e fotodetectores com elevada eficiência quântica externa (> 60%).
4. Tecnologias Quânticas:Substrato para filmes supercondutores (por exemplo, MgB2) em circuitos quânticos.

Figura 1 Estrutura cristalina de 3C-SiC

III. Métodos de crescimento heteroepitaxial

Técnicas-chave para a heteroepitaxia 3C-SiC:

1. Deposição química de vapor (CVD)

• Processo: as misturas de SiH4/C2H4/H2 decompõem-se a 1300°C a 1500°C em substratos de Si ou 4H-SiC.
• Etapas : Reações de fase gasosa → adsorção do precursor → migração da superfície → nucleação → crescimento.
• Vantagens: Alta capacidade de controlo sobre a temperatura (± 0,5°C), a pressão (50 ‰ 80 mbar) e as relações de gás (C/Si = 0,9 ‰ 1,2).

- Não.

2Epitaxia por sublimação (SE)

• Instalação: pó de SiC num cadinho de grafite aquecido a 1900°C; vapor de SiC condensa num substrato mais frio.
• Vantagens: Alta taxa de crescimento (> 10 μm/h) e suavização da superfície em escala atómica.
• Limitações: Relações fixas de Si/C e regulabilidade limitada do processo.

Figura 2 Diagrama dos princípios da doença cardiovascular

- Não.

3Epitaxia de feixe molecular (MBE)

• Condições: vácuo ultraalto (<10−10 mbar), feixes de Si/C evaporados por feixe de elétrons a 1200°C.
• Aplicações: Epiladoras de baixo defeito (< 103 cm−2) para dispositivos quânticos.

- Não.

4Abordagens híbridas.

• Camadas tampão: heterostruturas 4H-SiC/3C-SiC com interfaces implantadas em íons reduzem DPBs (densidade < 0,3 cm−2).
• Dopagem por HCl: Aumenta as taxas de crescimento (até 20 μm/h) enquanto suprime os defeitos.

Figura 3 Diagrama esquemático do crescimento epitaxial 3C-SiC utilizando o método SE

IV. Desafios e orientações futuras

1. Controlo de defeitos:

• Mecanismo: a desajuste da rede (Δa/a ≈ 1,5%) e a anisotropia de expansão térmica induzem DPBs e falhas de empilhamento.
• Soluções: Superrelatas compensadas por deformação ou dopagem por gradiente.

2Escalabilidade:

• Tamanho da bolacha: Transição de substratos de 4 a 8 polegadas através de uma uniformitade térmica melhorada (variação < 1 °C).

- Não.

3Integração de dispositivos:

• Híbridos SiC/GaN: tampões 3C-SiC para HEMT GaN-SiC, combinando alta mobilidade (2000 cm2·V−1·S−1) e dissipação térmica.

4Caracterização:

• Monitorização in situ: Espectroscopia Raman para rastreamento de defeitos em tempo real.

V. Conclusão

3C-SiC heteroepitaxy preenche a lacuna de desempenho entre o silício e os semicondutores de banda larga.O CVD assistido por HCl) permite a produção escalável de eletrônicos de potência de próxima geraçãoOs trabalhos futuros concentrar-se-ão na engenharia de defeitos em escala atómica e heterostructuras híbridas para desbloquear aplicações de ultra-alta frequência (> 100 GHz) e criogénicas.

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