Формирование интерфейсов в гетерополитипных структурах SiC, полученных методом прямого сращивания с участием жидкой и паровой фаз кремния

Авторы

S.Iu. Priobrazhenskii ^1, ² , M.G. Mynbaeva ¹ , A.V. Myasoedov ¹ , E.V. Gushchina ¹ , D.G. Amelchuk ¹ , S.P. Lebedev ¹ , А.А. Лебедев ¹

¹ Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе, Политехническая ул., д. 26, Санкт-Петербург, 194021, Россия

² Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ» имени В. И. Ульянова, ул. Профессора Попова, 5, Санкт-Петербург, 197022, Россия

10.17586/2687-0568-2025-7-1-18-23

Rev. Adv. Mater. Technol., 2025, vol. 7, no. 1, pp. 18–23

Аннотация

Методом прямого сращивания в условиях высокотемпературного отжига в вакууме получены гетерополитипные структуры 3C-SiC/6H-SiC и 4H-SiC/6H-SiC. Мотивацией данных исследований является создание технологии получения комбинированной подложки 3C-SiC/6H-SiC для гомоэпитаксиального роста слоёв 3C-SiC приборного качества и перспективных силовых приборов на основе гетерополитипных переходов 4H-SiC/6H-SiC. Исходными материалами служили гетероэпитаксиальные структуры 3C-SiC/Si, полученные химическим осаждением из паровой фазы, и пластины монокристаллического карбида кремния политипов 6H-SiC и 4H-SiC. Контакт между сращиваемыми материалами в первом случае был получен за счёт формирования промежуточного слоя рекристаллизованного расплава кремния, возникающего при расплавлении Si подложки исходных образцов 3C-SiC/Si, а во втором, — за счёт формирования связующих микроструктур в зазоре между пластинами SiC, который обеспечивал транспорт паров кремния по границе раздела. Зазор был получен посредством реализации процесса самоструктурирования поверхности сращиваемых пластин в ходе их предварительного отжига.

Ключевые слова

карбид кремния; прямое сращивание; гетерополитипные структуры; кремний; жидкая и паровая фаза

Финансирование

Russian Science Foundation: 24-22-00232

Ссылки

1.    Z. Chen, A.Q. Huang, Extreme high efficiency enabled by silicon carbide (SiC) power devices, Materials Science in Semiconductor Processing, 2024, vol. 172, art. no. 108052.
2.    A. Schöner, M. Krieger, G. Pensl, M. Abe, H. Nagasawa, Fabrication and Characterization of 3C-SiC-Based MOSFETs, 2006, Chemical Vapor Deposition, vol.12, no. 8-9, pp. 523-530.
3.    F. La Via, D. Alquier, F. Giannazzo, T. Kimoto, P. Neudeck, H. Ou, A. Roncaglia, S.E. Saddow, S. Tudisco, Emerging SiC Applications beyond Power Electronic Devices, Micromachines, 2023, vol. 14, no. 6, art. no. 1200.
4.    K. Semmelroth, N. Schulze, G. Pensl, Growth of SiC polytypes by the physical vapour transport technique, 2004, Journal of Physics: Condensed Matter, vol. 16, no. 17, pp. S1597-S1610.
5.    G. Ferro, 3C-SiC Heteroepitaxial Growth on Silicon: The Quest for Holy Grail, Critical Reviews in Solid State and Materials Sciences, 2014, vol. 40, no. 1, pp. 56-76.
6.    S.A. Kukushkin, A.V. Osipov, Thermodynamics, kinetics, and technology of synthesis of epitaxial layers of silicon carbide on silicon by coordinated substitution of atoms, and its unique properties. A review, Condensed Matter and Interphases, 2022, vol. 24, no. 4, pp. 407-458.
7.    M. Lobanok, S. Prakopyeu, M. Makhavikou, O. Korolik, P. Gaiduk, Formation of epitaxial 3C-SiC layers on Si by rapid vacuum thermal processing, Journal of the Belarusian State University. Physics, 2022, vol. 2, pp.79-86.
8.    J. Xu, Y. Du, Y. Tian, C. Wang, Progress in wafer bonding technology towards MEMS, high-power electronics, optoelectronics, and optofluidics, 2020, International Journal of Optomechatronics, vol. 14, no. 1, pp. 94-118.
9.    M.G. Mynbaeva, D.G. Amelchuk, A.N. Smirnov, I.P. Nikitina, S.P. Lebedev, V.Yu. Davydov, A.A. Lebedev, Templates for Homoepitaxial Growth of 3C-SiC Obtained by Direct Bonding of Silicon Carbide Wafers of Differing Polytype, 2023, Semiconductors, vol. 57, no. 6, pp. 305-309.
10.    G.N. Yushin, A.V. Kvit, R. Collazo, Z. Sitar, SiC to SiC wafer bonding, MRS Online Proceedings Library, 2002, vol. 742, art. no. 25.
11.    I.V. Grekhov, L.S. Kostina, T.S. Argunova, E.I. Belyakova, J.H. Je, P.A. Ivanov, T.P. Samsonova, Direct bonding of silicon carbide wafers with a regular relief at the interface, Technical Physics Letters, 2006, vol. 32, no. 5, pp. 453-455.
12.    M. Shenkin, O. Korolkov, T. Rang, G. Rang, Polytypic heterojunctions for wide bandgap semiconductor materials, WIT Transactions on Engineering Sciences, 2015, vol. 90, pp. 273-282.
13.    J.-C Chen, C.-F. Chu, W.-F. Ueng, Thermocapillary convection and melt-solid interface in the floating zone, International Journal of Heat and Mass Transfer, 1994, vol. 3, no. 12, pp. 1733-1748.
14.    A.V. Myasoedov, M.G. Mynbaeva, S.P. Lebedev, S.Iu. Priobrazhenskii, D.G. Amelchuk, D.A. Kirilenko, A.A. Lebedev, TEM investigation of the interface formation during transfer of 3C-SiC(001) layer onto 6H-SiC(0001) wafer, Journal of Applied Physics, 2024, vol. 136, no. 11, art. no. 115303.
15.    W.P. Minnear, The dissolution of SiC and other materials in molten Si, Journal of The Electrochemical Society, 1979, vol. 126, no. 4, pp. 634-635.
16.    X. Xing, T. Yoshikawa, O. Budenkova, D. Chaussende, A sessile drop approach for studying 4H-SiC/liquid silicon high-temperature interface reconstructions, Journal of Materials Science, 2022, vol. 57, no. 2, pp. 972-982.
17.    K. Seki, Alexander, S. Kozawa, S. Harada, T. Ujihara, Y. Takeda, Polytype-selective growth of SiC by supersaturation control in solution growth, Journal of Crystal Growth, 2012, vol. 360, pp. 176-180.
18.    R. Vasiliauskas, S. Juillaguet, M. Syväjärvi, R. Yakimova, Cubic SiC formation on the C-face of 6H-SiC (0001) substrates, Journal of Crystal Growth, 2012, vol. 348, no. 1, pp. 91-96.
19.    R. Yakimova, R. Vasiliauskas, J. Eriksson, M. Syväjärvi, Progress in 3C-SiC Growth and Novel Applications, 2012, Materials Science Forum, vol. 711, pp. 3-10.
20.    Z.L. Liau, A.A. Liau, Nanometer air gaps in semiconductor wafer bonding, Applied Physics Letters, 2001, vol. 78, no. 23, pp. 3726-3728.
21.    A. Yasushi, N. Sano, T. Kaneko, Morphological Evolution of SiC (0001) Surfaces without Ambient Gas by High Temperature Annealing in High-Vacuum, Materials Science Forum, 2004, vol. 457-460, pp. 403-406.
22.    T. Tomooka, Y. Shoji, T. Matsui, High Temperature Vapor Pressure of Si, Journal of the Mass Spectrometry Society of Japan, 1999, vol. 4, no. 1, pp. 49-53.
23.    C. Heyn, M. Schmidt, S. Schwaiger, A. Stemmann, S. Mendach, W. Hansen, Air-gap heterostructures, Applied Physics Letters, 2011, vol. 98, no. 3, art. no. 033105.
24.    A. Yamamoto, Y. Hamano, T. Tanikawa, B. Ghosh, A. Hashimoto, Formation of "air-gap" structure at a GaN epilayer/substrate interface by using an InN interlayer, 2003, Physica Status Solidi (c), 2003, vol. 0, no. 7, pp. 2826-2829.
25.    V. Cimalla, J. Pezoldt, O. Ambacher, Group III nitride and SiC based MEMS and NEMS: materials properties, technology and applications, Journal of Physics D: Applied Physics, 2007, vol. 40, no. 20, pp. 6386-6434.
26.    J. Amjadipour, J. MacLeod, N. Motta, F. Iacopi, Fabrication of freestanding silicon carbide on silicon microstructures via massive silicon sublimation, Journal of Vacuum Science and Technology B, 2020, vol. 38, no. 6, art. no. 062202.
27.    T. Zeng, Thermionic-tunneling multilayer nanostructures for power generation, Applied Physics Letters, 2006, vol. 88, no. 15, art. no. 153104.
28.    E. Rahman, A. Nojeh, Semiconductor thermionics for next generation solar cells: photon enhanced or pure thermionic?, Nature Communications, 2021, vol. 12, no. 1, art. no. 4622.

Том 7, № 1

Страницы 18-23

Файлы

текст статьи

аннотация

XML файл

История

Поступила в редакцию: 10 Марта 2025

Принята: 24 Марта 2025

Доступна онлайн: 31 Марта 2025

© 2025 ITMO University.
This is an open access article under the terms
of the CC BY-NC 4.0 license.
Metadata is available under the terms of the CC BY 4.0 license