3C SICの開発履歴

重要な形態として炭化ケイ素の開発経緯3C-SiC半導体材料科学の継続的な進歩を反映しています。 1980 年代に西野ら。は、最初に化学蒸着 (CVD) によってシリコン基板上に 4um の 3C-SiC 薄膜を取得しました [1]。これが 3C-SiC 薄膜技術の基礎を築きました。

1990年代は、SIC研究の黄金時代でした。 Cree Research Inc.は、それぞれ1991年と1994年に6H-SICおよび4H-SICチップを発売し、の商業化を促進しましたSIC半導体デバイス。この期間中の技術の進歩は、3C-SICのその後の研究と適用の基礎を築きました。

21世紀初頭、国内のシリコンベースのSIC薄膜また、ある程度開発されました。 Ye Zhizhen et al。 2002年に低温条件下でCVDによるシリコンベースのSIC薄膜を調製しました[2]。 2001年、Xia et al。室温でのマグネトロンスパッタリングにより、シリコンベースのSIC薄膜を調製しました[3]。

しかし、Si と SiC の格子定数の差が大きい (約 20%) ため、3C-SiC エピタキシャル層の欠陥密度は比較的高く、特に DPB などの双晶欠陥が多くなります。格子不整合を減らすために、研究者は、(0001) 表面上の 6H-SiC、15R-SiC、または 4H-SiC を基板として使用して 3C-SiC エピタキシャル層を成長させ、欠陥密度を減らします。たとえば、2012 年に関一明らは、らは、過飽和を制御することにより、6H-SiC (0001) 表面シード上に 3C-SiC および 6H-SiC の多形選択成長を実現する動的多形エピタキシー制御技術を提案しました [4-5]。 2023年、Xun Liらの研究者はCVD法を使用して成長とプロセスを最適化し、滑らかな3C-SiCの取得に成功した。エピタキシャル層14um/hの成長速度で4H-SIC基質に表面にDPB欠陥がない[6]。

3C SiCの結晶構造と応用分野

多くのSICDポリタイプの中で、3C-SICはβ-SICとも呼ばれる唯一の立方ポリタイプです。この結晶構造では、SiおよびC原子は格子内の1対1の比率で存在し、各原子は4つの不均一原子に囲まれており、強力な共有結合を持つ四面体構造単位を形成します。 3C-SICの構造的特徴は、Si-C珪藻層がABC-ABC-…順に繰り返し配置され、各ユニットセルにはC3表現と呼ばれる3つのそのような二原子層が含まれていることです。 3C-SICの結晶構造を下の図に示します。

図1 3C-SiCの結晶構造

現在、パワーデバイスに最も一般的に使用されている半導体材料はシリコン（Si）です。ただし、Si の性能により、シリコンベースのパワーデバイスには限界があります。 4H-SiC や 6H-SiC と比較して、3C-SiC は室温での理論電子移動度 (1000 cm・V-1・S-1) が最も高く、MOS デバイス用途においてより多くの利点があります。同時に、3C-SiCは、高い耐電圧、良好な熱伝導性、高硬度、広いバンドギャップ、高温耐性、耐放射線性などの優れた特性も備えています。したがって、エレクトロニクス、オプトエレクトロニクス、センサー、および極限条件下でのアプリケーションに大きな可能性を秘めており、関連技術の開発と革新を促進し、多くの分野で幅広い応用可能性を示しています。

第一：特に高電圧、高周波、高温環境では、3C-SICの高分解電圧と高電子移動度により、MOSFETなどの製造電力装置に理想的な選択肢となります[7]。 2番目：ナノエレクトロニクスおよびミクロエレクトロメカニカルシステム（MEMS）での3C-SICの適用は、シリコンテクノロジーとの互換性から利益をもたらし、ナノエレクトロニクスやナノエレクトロメカニカルデバイスなどのナノスケール構造の製造を可能にします[8]。第三：ワイドバンドギャップ半導体材料として、3C-SICはの製造に適しています青色発光ダイオード(LED)。高い発光効率と容易なドーピングにより、照明、ディスプレイ技術、レーザーへの応用が注目を集めています[9]。 4番目: 同時に、3C-SiCは位置感応型検出器、特に横方向光起電力効果に基づくレーザーポイント位置感応型検出器の製造にも使用され、ゼロバイアス条件下で高い感度を示し、正確な位置決めに適しています[10]。 。

3. 3C SICヘテロエピタキシーの調製方法

3C-SiCヘテロエピタキシーの主な成長方法には以下のものがあります。化学蒸着 (CVD), 昇華エピタキシー (SE), 液相エピタキシー (LPE)、分子ビームエピタキシー（MBE）、マグネトロンスパッタリングなど。CVDは、その制御可能性と適応性（温度、ガスの流れ、チャンバー圧、反応時間など、3C-SICエピタキシーの好ましい方法です。エピタキシャル層）。

化学気相成長法（CVD）：Si元素とC元素を含む化合物ガスを反応室内に流し、高温で加熱分解し、Si原子とC原子をSi基板（6H-SiC、15R-）上に析出させます。 SiC、4H-SiC 基板 [11]。この反応の温度は通常1300〜1500℃の間です。一般的な Si ソースには SiH4、TCS、MTS などが含まれ、C ソースには主に C2H4、C3H8 などが含まれ、キャリア ガスとして H2 が使用されます。成長プロセスには主に次のステップが含まれます。 1. 気相反応源が主ガス流で堆積ゾーンに輸送されます。 2. 気相反応が境界層で発生し、薄膜前駆体と副生成物が生成されます。 3. 前駆体の沈殿、吸着、分解プロセス。 4. 吸着された原子は基板表面に移動して再構築されます。 5. 吸着された原子は核を形成し、基板表面で成長します。 6. 反応後の排ガスは主ガス流ゾーンに大量輸送され、反応チャンバーから取り出されます。図 2 は CVD の概略図です [12]。

図2 CVDの模式図

昇華エピタキシー（SE）方法：図3は、3C-SICを準備するためのSE方法の実験的構造図です。主なステップは、高温ゾーンでのSIC源の分解と昇華、昇華酸塩の輸送、および低温での基質表面上の昇華酸塩の反応と結晶化です。詳細は次のとおりです。6H-SICまたは4H-SIC基板がるつぼの上部に配置され、高純度SiC粉末sic原材料として使用され、下部に配置されます黒鉛るつぼ。るつぼは高周波誘導によって1900～2100℃に加熱され、基板温度はSiCソースよりも低く制御され、るつぼ内に軸方向の温度勾配が形成され、昇華したSiC材料が基板上で凝縮して結晶化します。 3C-SiCヘテロエピタキシャルを形成します。

昇華エピタキシーの利点は主に 2 つの側面にあります。1. エピタキシー温度が高いため、結晶欠陥を減らすことができます。 2. 原子レベルでエッチングされた表面を得るためにエッチングすることができます。しかしながら、成長プロセス中には、反応源を調整することができず、シリコンと炭素の比率、時間、各種反応順序等を変更することができないため、成長プロセスの制御性が低下する。

図33C-SICエピタキシーを栽培するためのSE方法の概略図

分子線エピタキシー (MBE) は高度な薄膜成長技術であり、4H-SiC または 6H-SiC 基板上に 3C-SiC エピタキシャル層を成長させるのに適しています。この方法の基本原理は、超高真空環境においてソースガスを正確に制御することにより、成長するエピタキシャル層の要素を加熱して指向性原子線または分子線を形成し、加熱された基板表面に入射します。エピタキシャル成長。 3C-SiCを成長させるための一般的な条件エピタキシャル層4H-SiC または 6H-SiC 基板上での反応は、シリコンリッチな条件下で、グラフェンと純炭素源を電子銃で励起してガス状物質にし、反応温度として 1200 ～ 1350℃を使用します。 3C-SiC ヘテロエピタキシャル成長は、0.01 ～ 0.1 nms -1 の成長速度で実現できます [13]。

結論と見通し

継続的な技術の進歩と詳細なメカニズム研究により、3C-SICヘテロエピタキシャル技術は、半導体業界でより重要な役割を果たすことが期待され、高効率の電子デバイスの開発を促進することが期待されています。たとえば、低欠陥密度を維持しながらHCL雰囲気を導入するなどの新しい成長技術と戦略を継続し続けることは、将来の研究の方向です。欠陥形成メカニズムに関する詳細な研究、およびより正確な欠陥制御と材料特性の最適化を実現するために、フォトルミネセンスやカソドルミネッセンス分析などのより高度な特性評価技術の開発。高品質の厚いフィルム3C-SICの急速な成長は、高電圧デバイスのニーズを満たすための鍵であり、成長率と材料の均一性のバランスを克服するにはさらなる研究が必要です。 SIC/GANなどの不均一な構造での3C-SICの適用と組み合わせて、Power Electronics、Optoelectronic Integration、量子情報処理などの新しいデバイスでの潜在的なアプリケーションを調査します。

参考文献:

[1] Nishino S、Hazuki Y、Matsunami H、et al。スパッタ付きSIC中間層[J] .Journal of the Electrochemical Society、1980、127（12）：2674-2680を含むシリコン基質上の単結晶β-SIC膜の化学蒸気沈着。

[2] Ye Zhizhen、Wang Yadong、Huang Jingyun、他、シリコンベースの炭化ケイ素薄膜の低温成長に関する研究 [J]、Journal of Vacuum Science and Technology、2002、022(001):58-60。 。

[3] Anxia、Zhuang Huizhao、Li Huaixiang、（111）Si基板は磁気スパッタリング法でナノSICフィルムを準備します[J]。

[4] 関 和人、アレキサンダー、小沢 伸、他。溶液成長における過飽和制御による SiC のポリタイプ選択的成長[J]。結晶成長ジャーナル、2012、360:176-180。

[5] Chen Yao、Zhao Fuqiang、Zhu Bingxian、He Shuai、国内外の炭化ケイ素パワーデバイスの開発の概要 [J]、2020: 49-54。

[6] Li X 、Wang G .形態が改善された 4H-SiC 基板上の 3C-SiC 層の CVD 成長[J].Solid State Communications、2023:371。

[7] Hou Kaiwen。

[8] Lars、Hiller、Thomas、et al。 3C-SIC（100）MESA構造のECRエッチングにおける水素効果[J] .Materials Science Forum、2014。

[9] Xu Qingfang。

[10] Foisal AR M 、 Nguyen T 、 Dinh T K ら、3C-SiC/Si ヘテロ構造: 光起電力効果に基づく位置敏感検出器のための優れたプラットフォーム [J].ACS Applied Materials & Interfaces、2019: 40980-40987。

[11] Xin Bin. CVD プロセスに基づく 3C/4H-SiC ヘテロエピタキシャル成長: 欠陥の特性評価と進化 [D] 西安電子科学技術大学。

[12] Dong Lin、炭化ケイ素の大面積マルチウェーハエピタキシャル成長技術と物理的特性の特性評価、中国科学院大学、2014 年。

[13] Diani M、Simon L、Kubler L、他6H-SIC（0001）基板上の3C-SICポリタイプの結晶成長[J]。 Journal of Crystal Growth、2002、235（1）：95-102。