壹 3C-SiC的发展历

The Development History of 3C SiC

3C-SiC作为碳化硅的一个重要形态，其发展历程体现半导体材料科学的不断进步。上世纪80年代，Nishino等人首次通过化学气相沉积(CVD)在硅衬底上获得4um后的3C-SiC薄膜[1]，这为3C-SiC的薄膜技术奠定了基础。

20世纪90年代是SiC研究事业的黄金时期，Cree Research Inc.在1991年和1994年分别推出6H-SiC 和4H-SiC芯片，推动了SiC半导体器件的商业化进程，这一时期的技术进步为3C-SiC的后续研究和应用奠定了基础。

21世纪初,国内硅基SiC薄膜也有一定的发展，叶志镇等人在2002年在低温条件下，用CVD法制备出硅基SiC薄膜[2]。安霞等人在2001年在室温条件下用磁控溅射法制备出硅基SiC薄膜[3]。

但是由于Si的晶格常数与SiC的晶格常数相差太大（约20%），导致3C-SiC外延层的缺陷密度比较高，尤其是DPB这种孪晶缺陷。为了降低晶格失配，研究者选用(0001)面的6H-SiC、15R-SiC或4H-SiC作为衬底，生长3C-SiC外延层，降低缺陷密度。比如2012年Seki, Kazuaki等人提出动力学多型外延控制技术，通过控制过饱和度实现3C-SiC 和6H-SiC 在6H-SiC（0001）面晶种上的多型选择性生长[4-5]。2023年Xun Li等研究者利用CVD法优化生长和过程，以14um/h的生长速率，成功在4H-SiC衬底上获得表面无DPB缺陷的平滑3C-SiC外延层[6]。

贰 3C-SiC的晶体结构及应用领域

Crystal Structure and Application Fields of 3C SiC

在众多SiCD多型中，3C-SiC为唯一的立方晶系多型，又称为β-SiC，这种晶体结构中，Si和C原子以一对一的比例存在于晶格中，每个原子被四个异种原子围绕，形成了强共价键的四面体结构单元。3C-SiC的结构特点在于Si-C双原子层按照ABC-ABC-…的顺序重复排列，每个晶胞含有三个这样的双原子层，这被称为C3表示法；3C-SiC的晶体结构如下图所示：

图1 3C-SiC的晶体结构

目前，硅（Si）是最常用的功率器件半导体材料。但由于Si的性能，限制了硅基功率器。3C-SiC与4H-SiC 和6H-SiC 相比，拥有最高的室温理论电子迁移率( 1000 cm·V-1·S-1 ) ，在MOS 器件应用方面更具优势。同时3C-SiC还具有高击穿电压、良好的热导率、高的硬度、宽禁带、耐高温、抗辐射性能等优良特性，因此使其在电子、光电子、传感器、以及极端条件下的应用中展现出巨大潜力，推动了相关技术的发展和创新，在多个领域展现出广泛的应用潜力：

第一：特别是在高压、高频和高温环境下，3C-SiC的高击穿电压和高电子迁移率使其成为制造MOSFET等功率器件的理想选择[7]。第二：3C-SiC在纳米电子和微机电系统（MEMS）中的应用得益于其与硅技术的兼容性，允许制造纳米级结构，如纳米电子和纳米机电设备[8]。第三：3C-SiC作为一种宽禁带半导体材料，适合制作蓝光发光二极管（LED），其在照明、显示技术以及激光器中的应用因其高发光效率和易于掺杂而受到关注[9]。第四：同时，3C-SiC被用于制造位置敏感探测器，特别是基于横向光伏效应的激光点位置敏感探测器，显示出在零偏压条件下的高灵敏度，适用于精密定位[10]。

叁 3C-SiC异质外延的制备方法

Preparation method of 3C SiC heteroepitaxy

3C-SiC异质外延的生长方法主要有化学气相沉积（CVD）法、升华外延（SE）、液相外延法（LPE）、分子束外延(MBE)、磁控溅射法等，CVD因其可控性和适应性（如温度、气体流量、腔室压力和反应时间，都可以优化外延层的品质），是3C-SiC外延的首选方法。

化学气相沉积（Chemical vapour deposition，CVD）法：将含有Si和C元素的化合物气体通到反应腔里，在高温下加热分解，然后将Si原子和C原子沉淀到Si衬底，或者6H-SiC、15R-SiC、4H-SiC衬底上[11]。通常这种反应的温度是在1300-1500℃之间。常见的Si源是SiH4、TCS、MTS等，C源主要有C2H4、C3H8等，并以H2作为载气。生长过程主要包括一下几步：1. 气相反应源在主气流中朝沉积区的输运过程。2. 在边界层发生气相反应，以生成薄膜前驱体和副产物，3. 前驱体的沉淀、吸附裂解过程。4. 吸附原子在衬底表面进行迁移、重构。5. 吸附原子在衬底表面成核以及成核长大的过程。6. 反应后废气进入主气流区的质量输运并被带出反应室。图2为CVD原理图[12]。

图2 CVD原理图

升华外延法（Sublimation epitaxy，SE）法：图3是SE法制备3C-SiC的实验结构图。主要步骤为高温区SiC源的分解升华、升华物的运输、升华物在温度较低的衬底表面反应和结晶。详情是将6H-SiC或4H-SiC衬底放置在坩埚顶部，以高纯的SiC微粉作为SiC原料，放置在石墨坩埚底部，坩埚通过射频感应加热至1900-2100℃，控制衬底温度低于SiC源，在坩埚内部形成轴向温度梯度，这样使得升华的SiC物质可以在衬底上凝结并结晶，形成3C-SiC异质外延。

升华外延的优势主要有两个方面：1. 外延温度高，可以减少晶体缺陷；2. 能够进行原为刻蚀，获得原子层面的刻蚀表面。但是在生长过程中，无法调试反应源，无法改变硅碳比、时间、各种反应顺序等等，导致生长过程的可控性降低。

图3 SE法生长3C-SiC外延示意

分子束外延（Molecular beam epitaxy，MBE）法是一种先进的薄膜生长技术，‌适用于在4H-SiC或6H-SiC衬底上生长3C-SiC外延层。该方法的基本原理：在超高真空环境中，通过对源气体的精确控制，将生长外延层的各元素通过加热形成定向原子束或分子束入射到加热的衬底表面进行外延生长。对于在4H-SiC或6H-SiC衬底上生长3C-SiC外延层的常见条件为：在富硅条件下，用电子枪将石墨烯和纯碳源激发为气态物质，以1200-1350℃作为反应温度，就可以在0.01～0.1 nms-1的生长速率下得到3C-SiC异质外延[13]。

肆 结论与展望

Conclusion and Prospect

通过持续的技术进步和深入的机理研究，3C-SiC异质外延技术有望在半导体工业中发挥更加重要的作用，推动高能效电子器件的发展。比如继续探索新的生长技术和策略，如引入HCl气氛以提高生长速率同时保持低缺陷密度，是未来研究的方向；深入研究缺陷形成机制，发展更高级的表征技术，如光致发光和阴极荧光分析，以实现更精准的缺陷控制和优化材料性能；快速生长高质量厚膜3C-SiC是满足高压器件需求的关键，需要进一步研究以克服生长速率与材料均匀性之间的平衡问题；结合3C-SiC在SiC/GaN等异质结构中的应用，探索其在新型器件，如功率电子、光电集成和量子信息处理中的潜在应用。

参考文献

[1] Nishino S , Hazuki Y , Matsunami H ,et al. Chemical Vapor Deposition of Single Crystalline β‐SiC Films on Silicon Substrate with Sputtered SiC Intermediate Layer[J].Journal of The Electrochemical Society, 1980, 127(12):2674-2680.

[2]叶志镇,王亚东,黄靖云,等.低温生长硅基碳化硅薄膜研究[J].真空科学与技术学报, 2002, 022(001):58-60.

[3]安霞,庄惠照,李怀祥,等.在(111)Si衬底上磁控溅射法制备纳米SiC薄膜[J].山东师范大学学报:自然科学版, 2001: 382-384..

[4] Seki K, Alexander, Kozawa S, et al. Polytype-selective growth of SiC by supersaturation control in solution growth[J]. Journal of Crystal Growth, 2012, 360:176-180.

[5] 陈尧,赵富强,朱炳先,贺帅.国内外碳化硅功率器件发展综述[J].车辆与动力技术,2020:49-54.

[6] Li X , Wang G .CVD growth of 3C-SiC layers on 4H-SiC substrates with improved morphology[J].Solid State Communications, 2023:371.

[7] 侯凯文. Si 图形化衬底研究及其在 3C-SiC 生长上的应用[D]. 西安理工大学, 2018.

[8]Lars, Hiller , Thomas, et al. Hydrogen Effects in ECR-Etching of 3C-SiC(100) Mesa Structures[J].Materials Science Forum, 2014.

[9]徐青芳.激光化学气相沉积法制备-3C-SiC薄膜[D].武汉理工大学,2016.

[10] Foisal A R M , Nguyen T , Dinh T K ,et al.3C-SiC/Si Heterostructure: An Excellent Platform for Position-Sensitive Detectors Based on Photovoltaic Effect[J].ACS Applied Materials & Interfaces, 2019: 40980-40987.

[11] 辛斌. 基于CVD工艺的3C/4H-SiC异质外延:缺陷表征及演化[D].西安电子科技大学.

[12] 董林. 碳化硅大面积多片外延生长技术及物性表征[D].中国科学院大学, 2014.

[13] Diani M , Simon L , Kubler L ,et al. Crystal growth of 3C-SiC polytype on 6H-SiC(0001) substrate[J]. Journal of Crystal Growth, 2002, 235(1):95-102.