Eteroepitassia di 3C-SiC: una panoramica

1. Sviluppo storico del 3C-SiC

Lo sviluppo del 3C-SiC, un importante politipo di carburo di silicio, riflette il continuo progresso della scienza dei materiali semiconduttori. Negli anni '80 Nishino et al. ha ottenuto per la prima volta una pellicola 3C-SiC spessa 4 μm su un substrato di silicio utilizzando la deposizione chimica in fase vapore (CVD)[1], ponendo le basi per la tecnologia a film sottile 3C-SiC.

Gli anni ’90 hanno segnato un’epoca d’oro per la ricerca sul SiC. Il lancio dei chip 6H-SiC e 4H-SiC da parte di Cree Research Inc. rispettivamente nel 1991 e nel 1994, ha dato impulso alla commercializzazione di dispositivi semiconduttori SiC. Questo progresso tecnologico ha gettato le basi per le successive ricerche e applicazioni del 3C-SiC.

All’inizio del 21° secolo, anche i film SiC a base di silicio hanno visto progressi significativi in ​​Cina. Ye Zhizhen et al. hanno fabbricato film SiC su substrati di silicio utilizzando CVD a basse temperature nel 2002[2], mentre An Xia et al. hanno ottenuto risultati simili utilizzando lo sputtering del magnetron a temperatura ambiente nel 2001[3].

Tuttavia, l'ampio disallineamento reticolare tra Si e SiC (circa il 20%) ha portato a un'elevata densità di difetti nello strato epitassiale 3C-SiC, in particolare ai doppi limiti di posizionamento (DPB). Per mitigare questo problema, i ricercatori hanno optato per substrati come 6H-SiC, 15R-SiC o 4H-SiC con un orientamento (0001) per la crescita di strati epitassiali 3C-SiC, riducendo così la densità dei difetti. Ad esempio, nel 2012, Seki, Kazuaki et al. ha proposto una tecnica di controllo del polimorfismo cinetico, ottenendo una crescita selettiva di 3C-SiC e 6H-SiC su semi 6H-SiC(0001) controllando la supersaturazione[4-5]. Nel 2023, Xun Li et al. hanno ottenuto con successo strati epitassiali lisci 3C-SiC privi di DPB su substrati 4H-SiC utilizzando una crescita CVD ottimizzata con una velocità di 14 μm/h[6].

2. Struttura cristallina e applicazioni del 3C-SiC

Tra i numerosi politipi SiC, 3C-SiC, noto anche come β-SiC, è l'unico politipo cubico. In questa struttura cristallina, gli atomi di Si e C esistono in un rapporto uno a uno, formando una cella unitaria tetraedrica con forti legami covalenti. La struttura è caratterizzata da doppi strati Si-C disposti in una sequenza ABC-ABC-..., con ciascuna cella unitaria contenente tre di tali doppi strati, indicati dalla notazione C3. La Figura 1 illustra la struttura cristallina del 3C-SiC.

                                                                                                                                                                           Figura 1. Struttura cristallina del 3C-SiC

Attualmente, il silicio (Si) è il materiale semiconduttore più utilizzato per i dispositivi di potenza. Tuttavia, i suoi limiti intrinseci ne limitano le prestazioni. Rispetto a 4H-SiC e 6H-SiC, 3C-SiC possiede la più alta mobilità teorica degli elettroni a temperatura ambiente (1000 cm2·V-1·s-1), rendendolo più vantaggioso per le applicazioni MOSFET. Inoltre, l'elevata tensione di rottura, l'eccellente conduttività termica, l'elevata durezza, l'ampio gap di banda, la resistenza alle alte temperature e la resistenza alle radiazioni rendono il 3C-SiC altamente promettente per applicazioni in elettronica, optoelettronica, sensori e ambienti estremi:

Applicazioni ad alta potenza, alta frequenza e alta temperatura: l'elevata tensione di rottura e l'elevata mobilità degli elettroni del 3C-SiC lo rendono ideale per la produzione di dispositivi di potenza come i MOSFET, in particolare in ambienti difficili[7].

Nanoelettronica e sistemi microelettromeccanici (MEMS): La sua compatibilità con la tecnologia del silicio consente la fabbricazione di strutture su scala nanometrica, consentendo applicazioni nella nanoelettronica e nei dispositivi MEMS[8].

Optoelettronica:Essendo un materiale semiconduttore ad ampio gap di banda, il 3C-SiC è adatto per diodi emettitori di luce blu (LED). La sua elevata efficienza luminosa e la facilità di drogaggio lo rendono interessante per applicazioni nell'illuminazione, nelle tecnologie di visualizzazione e nei laser[9].

Sensori:Il 3C-SiC è impiegato nei rilevatori sensibili alla posizione, in particolare nei rilevatori sensibili alla posizione spot laser basati sull'effetto fotovoltaico laterale. Questi rilevatori mostrano un'elevata sensibilità in condizioni di polarizzazione zero, rendendoli adatti per applicazioni di posizionamento di precisione[10].

3. Metodi di preparazione per l'eteroepitassia 3C-SiC

I metodi comuni per l'eteroepitassia 3C-SiC includono la deposizione chimica in fase vapore (CVD), l'epitassia per sublimazione (SE), l'epitassia in fase liquida (LPE), l'epitassia a fascio molecolare (MBE) e lo sputtering del magnetron. CVD è il metodo preferito per l'epitassia 3C-SiC grazie alla sua controllabilità e adattabilità in termini di temperatura, flusso di gas, pressione della camera e tempo di reazione, consentendo l'ottimizzazione della qualità dello strato epitassiale.

Deposizione chimica da fase vapore (CVD):I composti gassosi contenenti Si e C vengono introdotti in una camera di reazione e riscaldati ad alte temperature, provocandone la decomposizione. Gli atomi di Si e C si depositano quindi su un substrato, tipicamente Si, 6H-SiC, 15R-SiC o 4H-SiC [11]. Questa reazione avviene tipicamente tra 1300-1500°C. Le fonti comuni di Si includono SiH4, TCS e MTS, mentre le fonti di C sono principalmente C2H4 e C3H8, con H2 come gas vettore. La Figura 2 illustra uno schema del processo CVD[12].

                                                                                                                                                               Figura 2. Schema del processo CVD

Epitassia di sublimazione (SE):In questo metodo, un substrato 6H-SiC o 4H-SiC viene posizionato nella parte superiore di un crogiolo, con polvere di SiC ad elevata purezza come materiale di partenza nella parte inferiore. Il crogiolo viene riscaldato a 1900-2100°C tramite induzione a radiofrequenza, mantenendo la temperatura del substrato inferiore alla temperatura della sorgente per creare un gradiente di temperatura assiale. Ciò consente al SiC sublimato di condensare e cristallizzare sul substrato, formando l'eteroepitassia 3C-SiC.

Epitassia a fascio molecolare (MBE):Questa tecnica avanzata di crescita di film sottile è adatta per la crescita di strati epitassiali 3C-SiC su substrati 4H-SiC o 6H-SiC. Sotto vuoto ultraelevato, il controllo preciso dei gas sorgente consente la formazione di fasci atomici o molecolari direzionali di elementi costitutivi. Questi raggi sono diretti verso la superficie riscaldata del substrato per la crescita epitassiale.

4. Conclusione e prospettive

Con i continui progressi tecnologici e studi meccanicistici approfonditi, l’eteroepitassia 3C-SiC è pronta a svolgere un ruolo sempre più vitale nel settore dei semiconduttori, guidando lo sviluppo di dispositivi elettronici ad alta efficienza energetica. L'esplorazione di nuove tecniche di crescita, come l'introduzione di atmosfere di HCl per aumentare i tassi di crescita mantenendo basse densità di difetti, è una strada promettente per la ricerca futura. Ulteriori indagini sui meccanismi di formazione dei difetti e lo sviluppo di tecniche di caratterizzazione avanzate consentiranno un controllo preciso dei difetti e proprietà dei materiali ottimizzate. La rapida crescita di film 3C-SiC spessi e di alta qualità è fondamentale per soddisfare le esigenze dei dispositivi ad alta tensione, che richiedono ulteriori ricerche per affrontare l’equilibrio tra tasso di crescita e uniformità del materiale. Sfruttando le applicazioni del 3C-SiC in eterostrutture come SiC/GaN, è possibile esplorarne appieno il potenziale in nuovi dispositivi come l'elettronica di potenza, l'integrazione optoelettronica e l'elaborazione delle informazioni quantistiche.

Riferimenti:

[1] Nishino S, Hazuki Y, Matsunami H, et al. Deposizione chimica da fase vapore di film β-SiC monocristallini su substrato di silicio con strato intermedio SiC spruzzato[J].Journal of The Electrochemical Society, 1980, 127(12):2674-2680.

[2] Ye Zhizhen, Wang Yadong, Huang Jingyun, et al. Ricerca sulla crescita a bassa temperatura di film sottili di carburo di silicio a base di silicio [J]. Journal of Vacuum Science and Technology, 2002, 022(001):58-60 .

[3] An Xia, Zhuang Huizhao, Li Huaixiang, et al. Preparazione di film sottili di nano-SiC mediante sputtering di magnetron su substrato di Si (111) [J] Journal of Shandong Normal University: Natural Science Edition, 2001: 382-384 ..

[4] Seki K, Alexander, Kozawa S, et al. Crescita selettiva del politipo di SiC mediante controllo della supersaturazione nella crescita della soluzione[J]. Giornale della crescita dei cristalli, 2012, 360:176-180.

[5] 陈尧,赵富强,朱炳先,贺帅.国内外碳化硅功率器件发展综述[J].车辆与动力技术,2020:49-54.

[6] Li X, Wang G. Crescita CVD di strati 3C-SiC su substrati 4H-SiC con morfologia migliorata[J].Solid State Communications, 2023:371.

[7] Hou Kaiwen. Ricerca sul substrato modellato in Si e sua applicazione nella crescita 3C-SiC [D] Università della tecnologia di Xi'an, 2018.

[8]Lars, Hiller, Thomas, et al. Effetti dell'idrogeno nell'incisione ECR di strutture Mesa 3C-SiC(100)[J].Materials Science Forum, 2014.

[9] Xu Qingfang. Preparazione di film sottili 3C-SiC mediante deposizione laser di vapori chimici [D], Università di Tecnologia di Wuhan, 2016.

[10] Foisal A R M, Nguyen T, Dinh T K, et al. Eterostruttura 3C-SiC/Si: una piattaforma eccellente per rilevatori sensibili alla posizione basati sull'effetto fotovoltaico[J].ACS Applied Materials & Interfaces, 2019: 40980-40987.

[11] Xin Bin. Crescita eteroepitassiale 3C / 4H-SiC basata sul processo CVD: caratterizzazione ed evoluzione dei difetti [D].

[12] Dong Lin. Tecnologia di crescita epitassiale multi-wafer su larga area e caratterizzazione delle proprietà fisiche del carburo di silicio [D].

[13] Diani M, Simon L, Kubler L, et al. Crescita cristallina del politipo 3C-SiC sul substrato 6H-SiC(0001)[J]. Giornale della crescita dei cristalli, 2002, 235(1):95-102.