Research Progress on the Epitaxial Growth of Cubic Silicon Carbide

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

Abstract

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

CLC Number:

O734

LU Zhengxuan, LI Chen, ZHOU Chao, LU Yuanhao, LI Haochao, KE Shanming, TONG Shukyin. Research Progress on the Epitaxial Growth of Cubic Silicon Carbide[J]. Journal of Synthetic Crystals, 2025, 54(12): 2037-2059.

Figures/Tables 18

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

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］

Fig.3 Hexagonal Si pillars［49］

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］

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

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］

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

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

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

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

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

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］

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］

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

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

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］

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］

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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