Hétéroépitaxie du 3C-SiC : un aperçu

1. Développement historique du 3C-SiC

Le développement du 3C-SiC, un polytype important de carbure de silicium, reflète les progrès continus de la science des matériaux semi-conducteurs. Dans les années 1980, Nishino et al. a d'abord réalisé un film 3C-SiC de 4 µm d'épaisseur sur un substrat de silicium par dépôt chimique en phase vapeur (CVD)[1], jetant ainsi les bases de la technologie des couches minces 3C-SiC.

Les années 1990 marquent un âge d’or pour la recherche sur le SiC. Le lancement par Cree Research Inc. de puces 6H-SiC et 4H-SiC en 1991 et 1994 respectivement, a propulsé la commercialisation des dispositifs semi-conducteurs SiC. Ce progrès technologique a jeté les bases des recherches et des applications ultérieures du 3C-SiC.

Au début du XXIe siècle, les films SiC à base de silicium ont également connu des progrès significatifs en Chine. Ye Zhizhen et coll. ont fabriqué des films SiC sur des substrats de silicium par CVD à basse température en 2002[2], tandis qu'An Xia et al. ont obtenu des résultats similaires en utilisant la pulvérisation magnétron à température ambiante en 2001[3].

Cependant, l'importante disparité de réseau entre Si et SiC (environ 20 %) a conduit à une densité élevée de défauts dans la couche épitaxiale 3C-SiC, en particulier des limites de double positionnement (DPB). Pour atténuer ce problème, les chercheurs ont opté pour des substrats tels que le 6H-SiC, le 15R-SiC ou le 4H-SiC avec une orientation (0001) pour la croissance des couches épitaxiales 3C-SiC, réduisant ainsi la densité des défauts. Par exemple, en 2012, Seki, Kazuaki et al. ont proposé une technique de contrôle du polymorphisme cinétique, permettant une croissance sélective du 3C-SiC et du 6H-SiC sur des graines de 6H-SiC (0001) en contrôlant la sursaturation [4-5]. En 2023, Xun Li et al. obtenu avec succès des couches épitaxiales 3C-SiC lisses et exemptes de DPB sur des substrats 4H-SiC en utilisant une croissance CVD optimisée avec un taux de 14 μm/h[6].

2. Structure cristalline et applications du 3C-SiC

Parmi les nombreux polytypes SiC, le 3C-SiC, également appelé β-SiC, est le seul polytype cubique. Dans cette structure cristalline, les atomes de Si et de C existent dans un rapport de un pour un, formant une cellule unitaire tétraédrique avec de fortes liaisons covalentes. La structure est caractérisée par des bicouches Si-C disposées selon une séquence ABC-ABC-…, chaque cellule unitaire contenant trois de ces bicouches, désignées par la notation C3. La figure 1 illustre la structure cristalline du 3C-SiC.

                                                                                                                                                                           Figure 1. Structure cristalline du 3C-SiC

Actuellement, le silicium (Si) est le matériau semi-conducteur le plus utilisé pour les dispositifs électriques. Cependant, ses limites inhérentes limitent ses performances. Comparé au 4H-SiC et au 6H-SiC, le 3C-SiC possède la mobilité électronique théorique la plus élevée à température ambiante (1 000 cm2·V-1·s-1), ce qui le rend plus avantageux pour les applications MOSFET. De plus, sa tension de claquage élevée, son excellente conductivité thermique, sa dureté élevée, sa large bande interdite, sa résistance aux températures élevées et sa résistance aux radiations rendent le 3C-SiC très prometteur pour les applications en électronique, optoélectronique, capteurs et environnements extrêmes :

Applications haute puissance, haute fréquence et haute température : la tension de claquage élevée et la mobilité électronique élevée du 3C-SiC le rendent idéal pour la fabrication de dispositifs de puissance tels que les MOSFET, en particulier dans des environnements exigeants[7].

Nanoélectronique et systèmes microélectromécaniques (MEMS): Sa compatibilité avec la technologie du silicium permet la fabrication de structures à l'échelle nanométrique, permettant des applications en nanoélectronique et dans les dispositifs MEMS[8].

Optoélectronique :En tant que matériau semi-conducteur à large bande interdite, le 3C-SiC convient aux diodes électroluminescentes (DEL) bleues. Son efficacité lumineuse élevée et sa facilité de dopage le rendent attrayant pour les applications dans les domaines de l'éclairage, des technologies d'affichage et des lasers[9].

Capteurs :Le 3C-SiC est utilisé dans les détecteurs sensibles à la position, en particulier les détecteurs sensibles à la position des spots laser basés sur l'effet photovoltaïque latéral. Ces détecteurs présentent une sensibilité élevée dans des conditions de polarisation nulle, ce qui les rend adaptés aux applications de positionnement de précision[10].

3. Méthodes de préparation pour l’hétéroépitaxie 3C-SiC

Les méthodes courantes d'hétéroépitaxie 3C-SiC comprennent le dépôt chimique en phase vapeur (CVD), l'épitaxie par sublimation (SE), l'épitaxie en phase liquide (LPE), l'épitaxie par jet moléculaire (MBE) et la pulvérisation magnétron. Le CVD est la méthode préférée pour l'épitaxie 3C-SiC en raison de sa contrôlabilité et de son adaptabilité en termes de température, de débit de gaz, de pression dans la chambre et de temps de réaction, permettant d'optimiser la qualité de la couche épitaxiale.

Dépôt chimique en phase vapeur (CVD) :Les composés gazeux contenant Si et C sont introduits dans une chambre de réaction et chauffés à haute température, conduisant à leur décomposition. Les atomes de Si et de C se déposent ensuite sur un substrat, généralement du Si, du 6H-SiC, du 15R-SiC ou du 4H-SiC [11]. Cette réaction se produit généralement entre 1 300 et 1 500 °C. Les sources courantes de Si comprennent SiH4, TCS et MTS, tandis que les sources de C sont principalement C2H4 et C3H8, avec H2 comme gaz porteur. La figure 2 représente un schéma du processus CVD [12].

                                                                                                                                                               Figure 2. Schéma du processus CVD

Epitaxie par sublimation (SE) :Dans cette méthode, un substrat 6H-SiC ou 4H-SiC est placé au sommet d'un creuset, avec de la poudre de SiC de haute pureté comme matériau source au fond. Le creuset est chauffé à 1 900-2 100 °C par induction radiofréquence, maintenant la température du substrat inférieure à la température de la source pour créer un gradient de température axial. Cela permet au SiC sublimé de se condenser et de cristalliser sur le substrat, formant l'hétéroépitaxie 3C-SiC.

Épitaxie par jet moléculaire (MBE) :Cette technique avancée de croissance de couches minces convient à la croissance de couches épitaxiales 3C-SiC sur des substrats 4H-SiC ou 6H-SiC. Sous ultra-vide, un contrôle précis des gaz sources permet la formation de faisceaux atomiques ou moléculaires directionnels d’éléments constitutifs. Ces faisceaux sont dirigés vers la surface du substrat chauffé pour une croissance épitaxiale.

4. Conclusion et perspectives

Grâce aux progrès technologiques continus et aux études mécanistiques approfondies, l’hétéroépitaxie 3C-SiC est sur le point de jouer un rôle de plus en plus vital dans l’industrie des semi-conducteurs, en favorisant le développement de dispositifs électroniques économes en énergie. L'exploration de nouvelles techniques de croissance, telles que l'introduction d'atmosphères de HCl pour améliorer les taux de croissance tout en maintenant de faibles densités de défauts, constitue une voie prometteuse pour les recherches futures. Des recherches plus approfondies sur les mécanismes de formation de défauts et le développement de techniques de caractérisation avancées permettront un contrôle précis des défauts et des propriétés optimisées des matériaux. La croissance rapide de films 3C-SiC épais et de haute qualité est cruciale pour répondre aux exigences des dispositifs haute tension, ce qui nécessite des recherches supplémentaires pour trouver l'équilibre entre le taux de croissance et l'uniformité des matériaux. En exploitant les applications du 3C-SiC dans des hétérostructures telles que SiC/GaN, son potentiel dans de nouveaux dispositifs tels que l'électronique de puissance, l'intégration optoélectronique et le traitement de l'information quantique peut être pleinement exploré.

Références :

[1] Nishino S, Hazuki Y, Matsunami H, et al. Dépôt chimique en phase vapeur de films β-SiC monocristallins sur un substrat de silicium avec couche intermédiaire de SiC pulvérisée [J]. Journal of The Electrochemical Society, 1980, 127(12):2674-2680.

[2] Ye Zhizhen, Wang Yadong, Huang Jingyun et al. Recherche sur la croissance à basse température de films minces de carbure de silicium à base de silicium [J Journal of Vacuum Science and Technology, 2002, 022(001):58-60]. .

[3] An Xia, Zhuang Huizhao, Li Huaixiang et al. Préparation de films minces de nano-SiC par pulvérisation magnétron sur un substrat de Si (111) [J Journal of Shandong Normal University : Natural Science Edition, 2001 : 382-384]. ..

[4] Seki K, Alexander, Kozawa S et al. Croissance sélective de polytypes de SiC par contrôle de sursaturation dans la croissance en solution [J]. Journal de croissance cristalline, 2012, 360 : 176-180.

[5] Chen Yao, Zhao Fuqiang, Zhu Bingxian, He Shuai Aperçu du développement des dispositifs électriques en carbure de silicium au pays et à l'étranger [J] Vehicle and Power Technology, 2020 : 49-54.

[6] Li X, Wang G. Croissance CVD de couches 3C-SiC sur des substrats 4H-SiC avec une morphologie améliorée [J].Solid State Communications, 2023 : 371.

[7] Hou Kaiwen. Recherche sur le substrat à motifs Si et son application dans la croissance du 3C-SiC [D].

[8]Lars, Hiller, Thomas et al. Effets de l'hydrogène dans la gravure ECR des structures Mesa 3C-SiC (100) [J]. Materials Science Forum, 2014.

[9] Xu Qingfang. Préparation de films minces 3C-SiC par dépôt chimique en phase vapeur au laser [D].

[10] Foisal A R M , Nguyen T , Dinh T K , et al.3C-SiC/Si Hétérostructure : une excellente plate-forme pour les détecteurs sensibles à la position basés sur l'effet photovoltaïque [J].ACS Applied Materials & Interfaces, 2019 : 40980-40987.

[11] Xin Bin. Croissance hétéroépitaxiale 3C/4H-SiC basée sur le processus CVD : caractérisation et évolution des défauts [D].

[12] Dong Lin. Technologie de croissance épitaxiale multi-wafers sur grande surface et caractérisation des propriétés physiques du carbure de silicium [D].

[13] Diani M, Simon L, Kubler L, et al. Croissance cristalline du polytype 3C-SiC sur substrat 6H-SiC (0001) [J]. Journal de croissance cristalline, 2002, 235(1):95-102.