Il substrato 3C-SiC a cristallo singolo può essere fornito con specifiche come:https://www.powerwaywafer.com/3c-sic-wafer.html.

Il carburo di silicio (SiC) ha proprietà eccellenti come ampio gap di banda, elevata intensità del campo di rottura, elevata velocità di deriva degli elettroni di saturazione ed elevata conduttività termica e ha importanti applicazioni in campi come i veicoli di nuova energia, il fotovoltaico e la comunicazione 5G. Rispetto al 4H-SiC ampiamente utilizzato, il SiC cubico (3C SiC) ha una maggiore mobilità dei portatori (2-4 volte), una minore densità di difetti di interfaccia degli stati (un ordine di grandezza inferiore) e una maggiore affinità elettronica (3,7 eV). L'uso di 3C-SiC per preparare transistor ad effetto di campo può risolvere il problema della scarsa affidabilità del dispositivo causata da molteplici difetti dell'interfaccia dell'ossigeno del gate. Ma il progresso dei transistor basati su 3C-SiC è lento, principalmente a causa della mancanza di substrati monocristallini. Studi precedenti hanno dimostrato che il 3C-SiC è soggetto a transizione di fase durante la crescita e che i metodi di crescita esistenti non possono ottenere cristalli con una forma cristallina singola.

1. Crescita stabile di 3C-SiC coltivato su 4H-SiC tramite TSSG

Secondo la teoria classica della crescita dei cristalli, per i cristalli con interfaccia liscia, la nucleazione bidimensionale omogenea deve superare le barriere potenziali critiche, con l'esistenza di energia libera di Gibbs critica o sovrasaturazione, mentre la crescita può avvenire a qualsiasi piccola sovrasaturazione. Per la nucleazione eterogenea, a causa dell'introduzione di una nuova energia di interfaccia solido-solido, la nucleazione bidimensionale deve superare barriere di potenziale critico più elevate. Pertanto, a parità di sovrasaturazione, la nucleazione e la crescita omogenee sono significativamente migliori in termini di energia rispetto alla nucleazione e crescita eterogenee, rendendo quest'ultima difficile da verificare.

Recentemente, un gruppo di ricerca ha proposto l'idea accademica di regolare l'energia dell'interfaccia solido-liquido per dare priorità alla nucleazione e alla crescita su cristalli seme eterogenei rispetto a cristalli seme omogenei. Principalmente includendo:

1) Il disadattamento del reticolo tra le superfici del fuso 3C (111) e del fuso 4H (0001) è piccolo e l'energia dell'interfaccia solido-solido è molto bassa;

2) La differenza nell'energia libera di Gibbs tra le fasi sfuse 4H e 3C è relativamente piccola;

3) Se l'energia d'interfaccia di 3C (111) – fusione è sufficientemente bassa rispetto a quella di 4H (0001) – fusione regolando la composizione della fusione, la nucleazione bidimensionale e la successiva crescita dell'energia libera di Gibbs sono più favorevoli per il 3C fase.

Il team ha progettato e costruito in modo indipendente apparecchiature di prova per la tensione superficiale e l'angolo di contatto solido-liquido di fusioni a temperatura ultraelevata. La tensione superficiale di diverse composizioni di fusioni e l'angolo di contatto tra la massa fusa e 4H-SiC, 3C-SiC sono stati misurati ad alte temperature, e la legge di variazione dell'energia dell'interfaccia solido-liquido tra 4H-SiC, 3C-SiC e alta- è stata ottenuta la temperatura di fusione, verificando la fattibilità della regolazione dell'energia d'interfaccia. Il team ha utilizzato il metodo della fase liquida ad alta temperatura per ottenere un fabbisogno di energia libera di Gibbs inferiore per il 3C-SiC nelle stesse condizioni di sovrasaturazione, sopprimendo le transizioni di fase durante la crescita. Per la prima volta a livello internazionale, sono stati coltivati ​​cristalli singoli 3C-SiC con un diametro di 2-4 pollici, uno spessore di 4-10 mm e una forma monocristallina, come mostrato in Fig. 1.

Fig. 1 Nucleazione eterogenea e crescita stabile dei cristalli di 3C-SiC di 2-4 pollici e 4-10 mm di spessore sono state ottenute su cristalli seme di 4H-SiC utilizzando il metodo TSSG

2. Proprietà del cristallo singolo 3C-SiC coltivato TSSG

Le misurazioni della spettroscopia di diffusione Raman lungo la direzione dello spessore del cristallo indicano che all'inizio della crescita, 3C-SiC nuclea e cresce sul cristallo seme 4H-SiC, con una zona di coesistenza inferiore a 20μm. La Fig. 2 (ab) conferma ulteriormente la teoria di cui sopra. La metà larghezza media della curva di oscillazione dei raggi X sulla superficie di crescita (111) è di 30 secondi d'arco, indicando che il SiC 3C cresciuto ha un'elevata qualità cristallina. La resistività a temperatura ambiente del monocristallo 3C SiC è di soli 0,58 m Ω·cm, ovvero 1/40 della resistività del wafer 4H-SiC commerciale (15-28 mΩ·cm) e si prevede che riduca la perdita di energia del dispositivo.

Fig. 2 Determinazione della struttura cristallina 3C-SiC. a) Selezionare casualmente 20 spettri di diffusione Raman dalla superficie di crescita (111) e il riquadro mostra la distribuzione dei punti test sul cristallo. b) Spettri di diffusione Raman lungo la direzione dello spessore del cristallo. c) Spettro di fotoluminescenza (PL) misurato a 300K. d) Immagine al microscopio elettronico a trasmissione con scansione in campo scuro anulare ad alto angolo (HAADF-STEM). L'illustrazione mostra il modello di diffrazione elettronica dell'area selezionata (SAED) lungo l'asse della banda del cristallo [110].

La crescita dei cristalli singoli 3C-SiC a livello wafer colma il divario a livello globale, rendendo possibile la produzione di massa di cristalli 3C-SiC e offrendo nuove opportunità per lo sviluppo di dispositivi elettronici di potenza ad alte prestazioni. Nel frattempo, il meccanismo di nucleazione e crescita preferenziale su cristalli di semi eterogenei rispetto a cristalli di semi omogenei espande la tradizionale teoria della crescita dei cristalli.

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