Heteroepitaxia de 3C-SiC: descripción general

1. Desarrollo histórico del 3C-SiC

El desarrollo del 3C-SiC, un importante politipo de carburo de silicio, refleja el avance continuo de la ciencia de los materiales semiconductores. En la década de 1980, Nishino et al. logró por primera vez una película de 3C-SiC de 4 μm de espesor sobre un sustrato de silicio mediante deposición química de vapor (CVD) [1], sentando las bases para la tecnología de película delgada de 3C-SiC.

La década de 1990 marcó una época dorada para la investigación del SiC. El lanzamiento de chips 6H-SiC y 4H-SiC por parte de Cree Research Inc. en 1991 y 1994, respectivamente, impulsó la comercialización de dispositivos semiconductores de SiC. Este progreso tecnológico sentó las bases para investigaciones y aplicaciones posteriores del 3C-SiC.

A principios del siglo XXI, las películas de SiC basadas en silicio también experimentaron avances significativos en China. Ye Zhizhen et al. fabricaron películas de SiC sobre sustratos de silicio utilizando CVD a bajas temperaturas en 2002 [2], mientras que An Xia et al. logró resultados similares utilizando pulverización catódica con magnetrón a temperatura ambiente en 2001[3].

Sin embargo, la gran falta de coincidencia de la red entre Si y SiC (aproximadamente 20%) condujo a una alta densidad de defectos en la capa epitaxial 3C-SiC, particularmente en los límites de posicionamiento doble (DPB). Para mitigar esto, los investigadores optaron por sustratos como 6H-SiC, 15R-SiC o 4H-SiC con una orientación (0001) para el crecimiento de capas epitaxiales de 3C-SiC, reduciendo así la densidad de defectos. Por ejemplo, en 2012, Seki, Kazuaki et al. propusieron una técnica de control de polimorfismo cinético, logrando un crecimiento selectivo de 3C-SiC y 6H-SiC en semillas de 6H-SiC (0001) mediante el control de la sobresaturación [4-5]. En 2023, Xun Li et al. obtuvieron con éxito capas epitaxiales lisas de 3C-SiC libres de DPB sobre sustratos de 4H-SiC utilizando un crecimiento CVD optimizado con una velocidad de 14 μm/h [6].

2. Estructura cristalina y aplicaciones del 3C-SiC

Entre los numerosos politipos de SiC, el 3C-SiC, también conocido como β-SiC, es el único politipo cúbico. En esta estructura cristalina, los átomos de Si y C existen en una proporción de uno a uno, formando una celda unitaria tetraédrica con fuertes enlaces covalentes. La estructura se caracteriza por bicapas de Si-C dispuestas en una secuencia ABC-ABC-…, y cada celda unitaria contiene tres de estas bicapas, indicadas por la notación C3. La Figura 1 ilustra la estructura cristalina del 3C-SiC.

                                                                                                                                                                           Figura 1. Estructura cristalina del 3C-SiC.

Actualmente, el silicio (Si) es el material semiconductor más utilizado para dispositivos de potencia. Sin embargo, sus limitaciones inherentes restringen su desempeño. En comparación con 4H-SiC y 6H-SiC, 3C-SiC posee la movilidad electrónica teórica más alta a temperatura ambiente (1000 cm2·V-1·s-1), lo que lo hace más ventajoso para aplicaciones MOSFET. Además, su alto voltaje de ruptura, excelente conductividad térmica, alta dureza, amplia banda prohibida, resistencia a altas temperaturas y resistencia a la radiación hacen que el 3C-SiC sea muy prometedor para aplicaciones en electrónica, optoelectrónica, sensores y entornos extremos:

Aplicaciones de alta potencia, alta frecuencia y alta temperatura: el alto voltaje de ruptura y la alta movilidad de los electrones del 3C-SiC lo hacen ideal para fabricar dispositivos de potencia como MOSFET, particularmente en entornos exigentes[7].

Nanoelectrónica y Sistemas Microelectromecánicos (MEMS): Su compatibilidad con la tecnología del silicio permite la fabricación de estructuras a nanoescala, lo que permite aplicaciones en nanoelectrónica y dispositivos MEMS[8].

Optoelectrónica:Como material semiconductor de banda prohibida ancha, el 3C-SiC es adecuado para diodos emisores de luz (LED) azules. Su alta eficiencia luminosa y su facilidad de dopaje lo hacen atractivo para aplicaciones en iluminación, tecnologías de visualización y láseres[9].

Sensores:El 3C-SiC se emplea en detectores sensibles a la posición, en particular detectores sensibles a la posición de puntos láser basados ​​en el efecto fotovoltaico lateral. Estos detectores exhiben una alta sensibilidad en condiciones de polarización cero, lo que los hace adecuados para aplicaciones de posicionamiento de precisión [10].

3. Métodos de preparación para heteroepitaxia 3C-SiC

Los métodos comunes para la heteroepitaxia 3C-SiC incluyen la deposición química de vapor (CVD), la epitaxia por sublimación (SE), la epitaxia en fase líquida (LPE), la epitaxia por haz molecular (MBE) y la pulverización catódica con magnetrón. CVD es el método preferido para la epitaxia 3C-SiC debido a su controlabilidad y adaptabilidad en términos de temperatura, flujo de gas, presión de la cámara y tiempo de reacción, lo que permite optimizar la calidad de la capa epitaxial.

Deposición química de vapor (CVD):Los compuestos gaseosos que contienen Si y C se introducen en una cámara de reacción y se calientan a altas temperaturas, lo que provoca su descomposición. Luego, los átomos de Si y C se depositan sobre un sustrato, típicamente Si, 6H-SiC, 15R-SiC o 4H-SiC [11]. Esta reacción normalmente ocurre entre 1300-1500°C. Las fuentes comunes de Si incluyen SiH4, TCS y MTS, mientras que las fuentes de C son principalmente C2H4 y C3H8, con H2 como gas portador. La Figura 2 muestra un esquema del proceso de CVD[12].

                                                                                                                                                               Figura 2. Esquema del proceso de CVD

Epitaxia de sublimación (SE):En este método, se coloca un sustrato de 6H-SiC o 4H-SiC en la parte superior de un crisol, con polvo de SiC de alta pureza como material fuente en el fondo. El crisol se calienta a 1900-2100 °C mediante inducción de radiofrecuencia, manteniendo la temperatura del sustrato por debajo de la temperatura de la fuente para crear un gradiente de temperatura axial. Esto permite que el SiC sublimado se condense y cristalice en el sustrato, formando la heteroepitaxia 3C-SiC.

Epitaxia de haz molecular (MBE):Esta técnica avanzada de crecimiento de película delgada es adecuada para el crecimiento de capas epitaxiales de 3C-SiC sobre sustratos de 4H-SiC o 6H-SiC. En condiciones de vacío ultraalto, el control preciso de los gases fuente permite la formación de haces atómicos o moleculares direccionales de elementos constituyentes. Estos haces se dirigen hacia la superficie del sustrato calentado para el crecimiento epitaxial.

4. Conclusión y perspectivas

Con continuos avances tecnológicos y estudios mecanísticos en profundidad, la heteroepitaxia 3C-SiC está preparada para desempeñar un papel cada vez más vital en la industria de los semiconductores, impulsando el desarrollo de dispositivos electrónicos energéticamente eficientes. Explorar nuevas técnicas de crecimiento, como la introducción de atmósferas de HCl para mejorar las tasas de crecimiento y al mismo tiempo mantener bajas densidades de defectos, es una vía prometedora para futuras investigaciones. Una mayor investigación sobre los mecanismos de formación de defectos y el desarrollo de técnicas de caracterización avanzadas permitirán un control preciso de los defectos y propiedades optimizadas de los materiales. El rápido crecimiento de películas 3C-SiC gruesas y de alta calidad es crucial para satisfacer las demandas de los dispositivos de alto voltaje, lo que requiere más investigación para abordar el equilibrio entre la tasa de crecimiento y la uniformidad del material. Aprovechando las aplicaciones del 3C-SiC en heteroestructuras como SiC/GaN, se puede explorar por completo su potencial en dispositivos novedosos como la electrónica de potencia, la integración optoelectrónica y el procesamiento de información cuántica.

Referencias:

[1] Nishino S, Hazuki Y, Matsunami H, et al. Deposición química de vapor de películas monocristalinas de β-SiC sobre sustrato de silicio con capa intermedia de SiC pulverizada [J]. Journal of The Electrochemical Society, 1980, 127(12):2674-2680.

[2] Ye Zhizhen, Wang Yadong, Huang Jingyun, et al. Investigación sobre el crecimiento a baja temperatura de películas delgadas de carburo de silicio a base de silicio [J] Journal of Vacuum Science and Technology, 2002, 022(001):58-60. .

[3] An Xia, Zhuang Huizhao, Li Huaixiang, et al. Preparación de películas delgadas de nano-SiC mediante pulverización catódica con magnetrón sobre sustrato de Si (111) [J] Journal of Shandong Normal University: Natural Science Edition, 2001: 382-384. ..

[4] Seki K, Alexander, Kozawa S, et al. Crecimiento selectivo de politipo de SiC mediante control de sobresaturación en el crecimiento de la solución [J]. Revista de crecimiento cristalino, 2012, 360:176-180.

[5] Chen Yao, Zhao Fuqiang, Zhu Bingxian, He Shuai. Descripción general del desarrollo de dispositivos de energía de carburo de silicio en el país y en el extranjero [J] Vehicle and Power Technology, 2020: 49-54.

[6] Li X, Wang G. Crecimiento CVD de capas de 3C-SiC sobre sustratos de 4H-SiC con morfología mejorada [J].Solid State Communications, 2023:371.

[7] Hou Kaiwen. Investigación sobre sustrato modelado de Si y su aplicación en el crecimiento de 3C-SiC [D] Universidad Tecnológica de Xi'an, 2018.

[8]Lars, Hiller, Thomas, et al. Efectos del hidrógeno en el grabado ECR de estructuras de mesa 3C-SiC (100) [J]. Foro de ciencia de materiales, 2014.

[9] Xu Qingfang Preparación de películas delgadas de 3C-SiC mediante deposición química de vapor con láser [D] Universidad Tecnológica de Wuhan, 2016.

[10] Foisal A R M, Nguyen T, Dinh T K, et al. Heteroestructura 3C-SiC/Si: una excelente plataforma para detectores sensibles a la posición basados ​​en el efecto fotovoltaico [J].ACS Applied Materials & Interfaces, 2019: 40980-40987.

[11] Xin Bin. Crecimiento heteroepitaxial 3C/4H-SiC basado en el proceso CVD: caracterización y evolución de defectos [D].

[12] Dong Lin. Tecnología de crecimiento epitaxial de múltiples obleas de gran área y caracterización de las propiedades físicas del carburo de silicio [D].

[13] Diani M, Simon L, Kubler L, et al. Crecimiento de cristales del politipo 3C-SiC sobre sustrato 6H-SiC (0001) [J]. Revista de crecimiento cristalino, 2002, 235(1):95-102.