立方碳化硅外延生长的研究进展

doi:10.16553/j.cnki.issn1000-985x.2025.0127

摘要/Abstract

摘要： 碳化硅（SiC）作为第三代宽禁带半导体材料，因优异的电学、热学与力学性能，在高温、高压、高频功率电子器件中具有广泛的应用前景。作为SiC的重要多型之一，立方相碳化硅（3C-SiC）具有更高的电子迁移率、更低的界面陷阱密度及更优的沟道性能，在中等电压范围内展现出较强的器件竞争力。本文综述了3C-SiC外延生长的研究进展，重点比较了化学气相沉积与升华外延法在生长工艺、缺陷演化及衬底选择方面的技术特点，分析了点缺陷、堆垛层错、反相畴界、表面凸起和应力等关键结构缺陷的形成机制及其对材料与器件性能的影响。此外，本文还总结了基于3C-SiC的功率二极管、MOSFET及异质结构器件的最新研究成果，展望了通过衬底工程、缺陷调控及工艺优化等手段提升3C-SiC外延质量与器件性能的未来发展方向。

关键词: 立方碳化硅; 化学气相沉积法; 升华外延法; 外延生长; 缺陷; 功率器件

Abstract: Silicon carbide （SiC）， as a representative third-generation wide-bandgap semiconductor material， has demonstrated great potential for applications in high-temperature， high-voltage， and high-frequency power electronic devices due to its excellent electrical， thermal， and mechanical properties. Among the various SiC polytypes， cubic silicon carbide （3C-SiC） exhibits higher electron mobility， lower interface trap density， and superior channel characteristics， making it highly competitive for devices operating in the medium voltage range. This review summarizes the recent progress in the epitaxial growth of 3C-SiC， with a particular focus on comparing the characteristics of chemical vapor deposition （CVD） and sublimation epitaxy （SE） in terms of growth processes， defect evolution， and substrate selection. The formation mechanisms and impacts of key structural defects including point defects， stacking faults， anti-phase boundaries， surface protrusions， and residual stress are systematically analyzed. Furthermore， the latest advances in 3C-SiC-based power diodes， MOSFETs， and heterostructure devices are reviewed. Finally， future development directions for improving the epitaxial quality and device performance of 3C-SiC through substrate engineering， defect control， and process optimization are discussed.

Key words: cubic silicon carbide; chemical vapor deposition method; sublimation epitaxy method; epitaxial growth; defect; power device

中图分类号:

O734

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图/表 18

图1 两种典型化学气相沉积技术示意图。（a）MPCVD［22］；（b）混合激光化学气相沉积［26］

Fig.1 Schematic of two typical chemical vapor deposition techniques. （a） MPCVD［22］；（b） hybrid laser-assisted CVD［26］

图2 3C-SiC异质外延生长中两步/交替供气工艺及缓冲层结构示意图。（a）SiC外延生长前供气过程示意图［31］；（b）样品结构示意图：Si（001）衬底、Si1-x Ge x 缓冲层、Si封顶层和3C-SiC层［33］；（c）ASD中供气过程示意图［38］

Fig.2 Schematic overview of two-step/alternate-supply epitaxial processes and buffer-layer architecture for 3C-SiC heteroepitaxy. （a） Schematic diagrams of the gas supply procedure before the SiC epitaxial growth［31］；（b） schematic of the sample structure： Si（001） substrate， Si1-x Ge x buffer layer， Si capping layer and a 3C-SiC layer［33］；（c） schematic illustration of temporal gas introduction within the ASD scheme［38］

图3 六边形Si微柱［49］

Fig.3 Hexagonal Si pillars［49］

图4 Si衬底SEM照片。（a）ISP的SEM照片［47］；（b）在1 100 ℃下H2退火处理前/后Si沟槽截面SEM照片［50］

Fig.4 SEM image of a silicon substrates. （a） SEM images of ISP［47］；（b） cross-sectional SEM images of the Si trench profile before and after being subject to 1 100 ℃ H2 annealing［50］

图5 在含有DPB的6H-SiC上生长的3C-SiC和不含有DPB的6H-SiC上生长的3C-SiC［69］

Fig.5 3C-SiC grown on 6H-SiC with DPB and DPB-free 3C-SiC grown on 6H-SiC［69］

图6 4H-SiC同质外延外延层的截面SEM照片（a）~（d）及SEM照片和EDS元素分析（e）~（h）［72］

Fig.6 4H-SiC homogeneous epitaxy cross-sectional SEM images （a）~（d） and SEM images and EDS element analysis （e）~（h） of the epitaxial layer［72］

图7 3C-SiC外延生长模型［80］

Fig.7 Epitaxial growth model of 3C-SiC layer［80］

图8 SE法示意图。（a）升华堆叠过程［78］；（b）升华三明治法［84］

Fig.8 Schematic of SE. （a） Process of sublimation stack［78］；（b） sublimation sandwich［84］

表1 CVD与SE工艺在不同衬底上生长3C-SiC的关键参数对比

Table 1 Comparison of 3C-SiC characteristics grown by CVD and SE processes on different substrates

Performance	CVD			SE
Performance	Si	SiC	Others	Si	SiC
Epitaxial growth rate	2~40 μm/h	5~278 μm/h^［72］	7~8 nm/cycle^［56］	120 μm/h^［88］	450 μm/h^［82］
Dislocation density	SFs=10³~10⁵cm^-1［38］	No DPBs^［69］	Not mentioned	Not mentioned	No DPBs^［80］
Step structure	Spiral structure	Spiral structure with six bilayer steps^［69］	Not mentioned	Not mentioned	Step-flow^［80］
Stress level	High	Low	Low （Graphite substrate）	High	Low

表2 不同生长方法所获得的3C-SiC薄膜的电学性能

Table 2 Electrical properties of 3C-SiC thin films prepared by different growth methods

Method	Electron mobility/（cm²·V^-1·s^-1）	Carrier lifetime	Breakdown field/（MV·cm^-1）
CVD	800~1 200	0.5~20 ns	2.0~3.0
SE	900~1 100	0.1~1.0 μs	2.5~3.5

图9 3C-SiC点缺陷示意图［89］。（a）3C-SiC 晶胞；（b）3C-SiC 超胞；（c）C空位缺陷；（d）Si空位缺陷；（e）Si反位缺陷；（f）C反位缺陷；（g）C间隙缺陷；（h）Si间隙缺陷

Fig.9 Schematic of point defects in 3C-SiC［89］. （a） Unit cell of 3C-SiC；（b） supercell of 3C-SiC；（c） VC；（d） VSi；（e） CSi；（f） SiC；（g） Cint；（h） Siint

图10 TEM横截面照片。（a）SFs缺陷相遇时湮灭；（b）SFs的产生；（c）SFs的末端没有如（a）中显示的湮灭过程［78］；（d）3C-SiC 层在（110）上的横截面TEM照片。上半部分：位于（1ˉ11）平面的SF显示为倾斜45°的线条，而位于（111）平面的SF则显示为梯形。下半部分：HAADF-STEM图像显示了在3C-SiC中观察到的三种SF；它们分别由1、2或3个断层原子层组成［93］

Fig.10 TEM cross-section images. （a） Annihilation of SFs when these defects meet；（b） generation of SFs；（c） end of SFs without the annihilation process reported in （a）［78］；（d） cross-section TEM images of the 3C-SiC layer in the （110） projection， top part： SFs lying in the （1ˉ11） plane appear as lines tilted 45° off， while SFs lying in the （111） plane are visible as trapezoidal-shaped. Bottom part： HAADF-STEM images showing the three kinds of SFs observed in 3C-SiC. They consist of 1， 2， or 3 faulted atomic layers［93］

图11 IDB STEM图像及示意图。（a）相干半极性（1ˉ10）面的倒置畴界（IDB）STEM图像［97］；（b）反相边界（APB）（110）面的正交视图［98］

Fig.11 STEM images and schematic illustration of IDB. （a） STEM image of a coherent semipolar （1ˉ10） inverted domain boundary （IDB）［97］；（b） orthogonal view of an antiphase boundary （110）［98］

图12 凸起缺陷俯视图及截面图［84］。（a）凸起缺陷造成表面凹凸不平的俯视图；（b）单个凸起及其侧面的边缘长度可达3 mm；（c）凹凸不平的表面会导致六方碳化硅在｛111｝表面成核；（d）在横截面上，中心切割的凸起缺陷呈深色的漏斗状结构，从中心切下的凸起只有部分可见，而且似乎不是从原始的Si/3C-SiC界面开始的；（e）在凸起缺陷上形成的6H-SiC结晶的放大视图；（f）凸起缺陷周围形成的多型变化（透明）的放大视图

Fig.12 Top-view and cross-sectional images of the protruding defect［84］. （a） Top view of the surface rugged by protrusion defects；（b） individual protrusions together with their flanks can reach an edge length of up to 3 mm；（c） rugged surface causes the nucleation of hexagonal SiC on ｛111｝ surfaces；（d） in the cross-section， center-cut protrusion defects are visible as dark， funnel-shaped structures， protrusions cut off center are only partially visible and do not appear to start at the original Si/3C-SiC interface；（e） magnified view of a 6H-SiC crystallite formed on a protrusion defect；（f） magnified view of a polytype change （transparent） formed around protrusion defects

图13 凸起缺陷的SEM照片，横截面图及3D结构示意图［106］。（a）在平面图中30 μm厚外延层中凸起的SEM照片；（b）3 μm厚外延层的晶片解理后获得的横截面图；（c）凸起的3D结构

Fig.13 SEM image， cross-sectional view and 3D schematic of the protruding defect［106］. （a） SEM image of a protrusion in a 30 μm thick epitaxial layer in plan view；（b） cross-view obtained after cleavage of the wafer for 3 μm thick epilayer；（c） 3D structure of the protrusion

表3 3C-SiC MOSFET正向和反向性能的文献数据汇总

Table 3 A summary of literature data on the forward and reverse performance of 3C-SiC MOSFET

Structure	Channel	μ_FE/（cm²·V^-1·s^-1）	B_V/V	Reference
Lateral	2×10¹⁷ cm^-3 p-type epi	≈165	—	［123］
Lateral	1×10¹⁶ cm^-3 p-type epi	≈229	—	［124］
Lateral	1×10¹⁸ cm^-3 Al implanted	≈80	—	［125］
Vertical	1×10¹⁸ cm^-3 Al implanted	≈28	≈100	［126］
Vertical	1×10¹⁸ cm^-3 Al implanted	≈45	550~600	［117］
Vertical	Al implanted	＞100	—	［119］

图14 3C-SiC传感器工作原理及制作过程。（a）3C-SiC热流传感器的工作原理；（b）3C-SiC呼吸传感器的制造步骤：1）制备Si（100）晶片，2）在Si晶片上生长3C-SiC，3）在3C-SiC顶部沉积Al，4）光刻，5）Al蚀刻，6）将3C-SiC/Si晶片切割成条状，7）将样品连接到可拉伸PDMS基板上并进行互连；（c）生长在Si（100）衬底上的p-3C-SiC晶体结构、TEM照片（左）和SAED图像（右）；（d）样品附着在PDMS衬底上的光学图像［129］

Fig.14 Working principle and fabrication process of 3C-SiC sensors. （a） Working principle of the 3C-SiC thermal flow sensors；（b） fabrication steps of the 3C-SiC respiratory sensor： 1） preparing Si（100） wafer， 2） grow of 3C-SiC on Si wafer， 3） deposition of Al on the top of 3C-SiC， 4） photolithography， 5） etching Al， 6） dicing strips of the 3C-SiC/Si wafer， 7） sample was attached to stretchable PDMS substrate and making interconnection；（c） crystal structure of p-3C-SiC grown on Si（100） substrate， TEM image （left）， and SAED image （right）；（d） optical image of the sample attached to the （polydimethylsiloxane） PDMS substrate［129］

表4 3C-SiC MOSFET、4H-SiC MOSFET及GaN MOSFET性能比较

Table 4 Performance comparison between 3C-SiC MOSFET， 4H-SiC MOSFET and GaN MOSFET

MOSFET	Bulk mobility，	Breakdown field，	Channel mobility，
MOSFET	μ/（cm²·V^-1·s^-1）	E_br/（MV·cm^-1）	μ/（cm²·V^-1·s^-1）
3C-SiC MOSFET	0~1 100	1.5	100~370
4H-SiC MOSFET	20~900	2.1	20~180
GaN MOSFET	1 000~1 500	3.3	150~250

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