Heteroepitaxia de 3C-SiC: Uma Visão Geral

1. Desenvolvimento histórico do 3C-SiC

O desenvolvimento do 3C-SiC, um politipo significativo de carboneto de silício, reflete o avanço contínuo da ciência dos materiais semicondutores. Na década de 1980, Nishino et al. alcançou pela primeira vez um filme 3C-SiC de 4 μm de espessura em um substrato de silício usando deposição química de vapor (CVD) [1], estabelecendo as bases para a tecnologia de filme fino 3C-SiC.

A década de 1990 marcou uma época de ouro para a pesquisa do SiC. O lançamento dos chips 6H-SiC e 4H-SiC pela Cree Research Inc. em 1991 e 1994, respectivamente, impulsionou a comercialização de dispositivos semicondutores de SiC. Este progresso tecnológico lançou as bases para pesquisas e aplicações subsequentes do 3C-SiC.

No início do século 21, os filmes de SiC à base de silício também tiveram um progresso significativo na China. Ye Zhizhen et al. fabricaram filmes de SiC em substratos de silício usando CVD em baixas temperaturas em 2002[2], enquanto An Xia et al. alcançou resultados semelhantes usando pulverização catódica com magnetron à temperatura ambiente em 2001 [3].

No entanto, a grande incompatibilidade de rede entre Si e SiC (aproximadamente 20%) levou a uma alta densidade de defeitos na camada epitaxial 3C-SiC, particularmente limites de posicionamento duplo (DPBs). Para mitigar isso, os pesquisadores optaram por substratos como 6H-SiC, 15R-SiC ou 4H-SiC com orientação (0001) para o crescimento de camadas epitaxiais de 3C-SiC, reduzindo assim a densidade do defeito. Por exemplo, em 2012, Seki, Kazuaki et al. propuseram uma técnica de controle cinético do polimorfismo, alcançando o crescimento seletivo de 3C-SiC e 6H-SiC em sementes 6H-SiC(0001) controlando a supersaturação [4-5]. Em 2023, Xun Li et al. obteve com sucesso camadas epitaxiais 3C-SiC suaves livres de DPBs em substratos 4H-SiC usando crescimento otimizado de CVD com uma taxa de 14 μm/h [6].

2. Estrutura cristalina e aplicações de 3C-SiC

Entre os numerosos politipos de SiC, o 3C-SiC, também conhecido como β-SiC, é o único politipo cúbico. Nesta estrutura cristalina, os átomos de Si e C existem em uma proporção de um para um, formando uma célula unitária tetraédrica com fortes ligações covalentes. A estrutura é caracterizada por bicamadas Si-C dispostas em uma sequência ABC-ABC-…, com cada célula unitária contendo três dessas bicamadas, denotadas pela notação C3. A Figura 1 ilustra a estrutura cristalina do 3C-SiC.

                                                                                                                                                                           Figura 1. Estrutura cristalina do 3C-SiC

Atualmente, o silício (Si) é o material semicondutor mais utilizado para dispositivos de energia. No entanto, as suas limitações inerentes restringem o seu desempenho. Comparado ao 4H-SiC e ao 6H-SiC, o 3C-SiC possui a maior mobilidade teórica de elétrons à temperatura ambiente (1000 cm2·V-1·s-1), tornando-o mais vantajoso para aplicações MOSFET. Além disso, sua alta tensão de ruptura, excelente condutividade térmica, alta dureza, amplo bandgap, resistência a altas temperaturas e resistência à radiação tornam o 3C-SiC altamente promissor para aplicações em eletrônica, optoeletrônica, sensores e ambientes extremos:

Aplicações de alta potência, alta frequência e alta temperatura: a alta tensão de ruptura e a alta mobilidade de elétrons do 3C-SiC o tornam ideal para a fabricação de dispositivos de energia como MOSFETs, especialmente em ambientes exigentes[7].

Nanoeletrônica e Sistemas Microeletromecânicos (MEMS): Sua compatibilidade com a tecnologia do silício permite a fabricação de estruturas em nanoescala, possibilitando aplicações em nanoeletrônica e dispositivos MEMS[8].

Optoeletrônica:Como um material semicondutor de banda larga, o 3C-SiC é adequado para diodos emissores de luz (LEDs) azuis. Sua alta eficiência luminosa e facilidade de dopagem o tornam atraente para aplicações em iluminação, tecnologias de exibição e lasers[9].

Sensores:O 3C-SiC é empregado em detectores sensíveis à posição, particularmente detectores sensíveis à posição de pontos de laser baseados no efeito fotovoltaico lateral. Esses detectores exibem alta sensibilidade sob condições de polarização zero, tornando-os adequados para aplicações de posicionamento de precisão[10].

3. Métodos de preparação para heteroepitaxia 3C-SiC

Métodos comuns para heteroepitaxia 3C-SiC incluem deposição química de vapor (CVD), epitaxia de sublimação (SE), epitaxia de fase líquida (LPE), epitaxia de feixe molecular (MBE) e pulverização catódica por magnetron. CVD é o método preferido para epitaxia 3C-SiC devido à sua controlabilidade e adaptabilidade em termos de temperatura, fluxo de gás, pressão da câmara e tempo de reação, permitindo a otimização da qualidade da camada epitaxial.

Deposição Química de Vapor (CVD):Compostos gasosos contendo Si e C são introduzidos em uma câmara de reação e aquecidos a altas temperaturas, levando à sua decomposição. Os átomos de Si e C então se depositam em um substrato, normalmente Si, 6H-SiC, 15R-SiC ou 4H-SiC [11]. Esta reação normalmente ocorre entre 1300-1500°C. As fontes comuns de Si incluem SiH4, TCS e MTS, enquanto as fontes de C são principalmente C2H4 e C3H8, com H2 como gás de arraste. A Figura 2 mostra um esquema do processo de DCV[12].

                                                                                                                                                               Figura 2. Esquema do processo de DCV

Epitaxia de Sublimação (SE):Neste método, um substrato 6H-SiC ou 4H-SiC é colocado no topo de um cadinho, com pó de SiC de alta pureza como material de origem na parte inferior. O cadinho é aquecido a 1900-2100°C através de indução de radiofrequência, mantendo a temperatura do substrato inferior à temperatura da fonte para criar um gradiente de temperatura axial. Isto permite que o SiC sublimado se condense e cristalize no substrato, formando a heteroepitaxia 3C-SiC.

Epitaxia de Feixe Molecular (MBE):Esta técnica avançada de crescimento de filme fino é adequada para o crescimento de camadas epitaxiais 3C-SiC em substratos 4H-SiC ou 6H-SiC. Sob ultra-alto vácuo, o controle preciso dos gases fonte permite a formação de feixes atômicos ou moleculares direcionais de elementos constituintes. Esses feixes são direcionados para a superfície aquecida do substrato para crescimento epitaxial.

4. Conclusão e perspectivas

Com avanços tecnológicos contínuos e estudos mecanísticos aprofundados, a heteroepitaxia 3C-SiC está preparada para desempenhar um papel cada vez mais vital na indústria de semicondutores, impulsionando o desenvolvimento de dispositivos eletrônicos com eficiência energética. Explorar novas técnicas de crescimento, como a introdução de atmosferas de HCl para aumentar as taxas de crescimento, mantendo baixas densidades de defeitos, é um caminho promissor para pesquisas futuras. Investigações adicionais sobre mecanismos de formação de defeitos e o desenvolvimento de técnicas avançadas de caracterização permitirão um controle preciso de defeitos e propriedades otimizadas do material. O rápido crescimento de filmes 3C-SiC espessos e de alta qualidade é crucial para atender às demandas de dispositivos de alta tensão, exigindo mais pesquisas para abordar o equilíbrio entre a taxa de crescimento e a uniformidade do material. Ao aproveitar as aplicações de 3C-SiC em heteroestruturas como SiC/GaN, seu potencial em novos dispositivos como eletrônica de potência, integração optoeletrônica e processamento de informações quânticas pode ser totalmente explorado.

Referências:

[1] Nishino S, Hazuki Y, Matsunami H, et al. Deposição química de vapor de filmes β-SiC cristalinos únicos em substrato de silício com camada intermediária de SiC pulverizada [J]. Journal of The Electrochemical Society, 1980, 127(12):2674-2680.

[2] Ye Zhizhen, Wang Yadong, Huang Jingyun, et al. Pesquisa sobre crescimento em baixa temperatura de filmes finos de carboneto de silício à base de silício [J]. .

[3] An Xia, Zhuang Huizhao, Li Huaixiang, et al. Preparação de filmes finos de nano-SiC por pulverização catódica de magnetron em (111) substrato de Si [J]. ..

[4] Seki K, Alexander, Kozawa S, et al. Crescimento seletivo de politipo de SiC por controle de supersaturação no crescimento da solução [J]. Jornal de Crescimento de Cristal, 2012, 360:176-180.

[5] Chen Yao, Zhao Fuqiang, Zhu Bingxian, He Shuai Visão geral do desenvolvimento de dispositivos de energia de carboneto de silício no país e no exterior [J].

[6] Li X, Wang G.Crescimento de CVD de camadas 3C-SiC em substratos 4H-SiC com morfologia melhorada[J].Solid State Communications, 2023:371.

[7] Hou Kaiwen. Pesquisa sobre substrato com padrão de Si e sua aplicação no crescimento de 3C-SiC [D].

[8]Lars, Hiller, Thomas, et al. Efeitos do hidrogênio na gravação ECR de estruturas Mesa 3C-SiC (100) [J]. Materials Science Forum, 2014.

[9] Xu Qingfang. Preparação de filmes finos 3C-SiC por deposição química de vapor a laser [D].

[10] Foisal A R M, Nguyen T, Dinh T K, et al.3C-SiC/Si Heteroestrutura: Uma Excelente Plataforma para Detectores Sensíveis à Posição Baseados no Efeito Fotovoltaico[J].ACS Applied Materials & Interfaces, 2019: 40980-40987.

[11] Xin Bin. Crescimento heteroepitaxial 3C/4H-SiC baseado no processo CVD: caracterização e evolução de defeitos [D].

[12] Dong Lin. Tecnologia de crescimento epitaxial multi-wafer de grande área e caracterização de propriedades físicas de carboneto de silício [D].

[13] Diani M, Simon L, Kubler L, et al. Crescimento de cristal do politipo 3C-SiC no substrato 6H-SiC(0001)[J]. Jornal de Crescimento de Cristal, 2002, 235(1):95-102.