1. Uvod
Uprkos decenijama istraživanja, heteroepitaksijalni 3C-SiC uzgojen na silicijumskim podlogama još uvijek nije postigao dovoljan kristalni kvalitet za industrijske elektronske primjene. Rast se obično izvodi na Si(100) ili Si(111) podlogama, od kojih svaka predstavlja različite izazove: antifazne domene za (100) i pucanje za (111). Dok filmovi orijentisani [111] pokazuju obećavajuće karakteristike kao što su smanjena gustina defekata, poboljšana površinska morfologija i niži napon, alternativne orijentacije poput (110) i (211) ostaju nedovoljno proučene. Postojeći podaci ukazuju na to da optimalni uslovi rasta mogu biti specifični za orijentaciju, što komplikuje sistematsko istraživanje. Posebno je važno napomenuti da upotreba Si podloga sa višim Millerovim indeksom (npr. (311), (510)) za 3C-SiC heteroepitaksiju nikada nije prijavljena, što ostavlja značajan prostor za istraživačka istraživanja mehanizama rasta zavisnih od orijentacije.
2. Eksperimentalno
Slojevi 3C-SiC su deponovani metodom hemijskog taloženja iz pare (CVD) pod atmosferskim pritiskom korištenjem SiH4/C3H8/H2 prekursorskih gasova. Podloge su bile Si pločice površine 1 cm² sa različitim orijentacijama: (100), (111), (110), (211), (311), (331), (510), (553) i (995). Sve podloge su bile na osi osim (100), gdje su dodatno testirane pločice odrezane pod uglom od 2°. Čišćenje prije rasta uključivalo je ultrazvučno odmašćivanje u metanolu. Protokol rasta sastojao se od uklanjanja izvornog oksida putem H2 žarenja na 1000°C, nakon čega je slijedio standardni dvostepeni proces: cementacija tokom 10 minuta na 1165°C sa 12 sccm C3H8, zatim epitaksija tokom 60 minuta na 1350°C (odnos C/Si = 4) koristeći 1,5 sccm SiH4 i 2 sccm C3H8. Svaki ciklus rasta uključivao je četiri do pet različitih Si orijentacija, sa najmanje jednom (100) referentnom pločicom.
3. Rezultati i diskusija
Morfologija 3C-SiC slojeva uzgojenih na različitim Si podlogama (Sl. 1) pokazala je različite površinske karakteristike i hrapavost. Vizualno, uzorci uzgojeni na Si(100), (211), (311), (553) i (995) izgledali su poput ogledala, dok su drugi izgledali od mliječno ((331), (510)) do mat ((110), (111)). Najglađe površine (koje pokazuju najfiniju mikrostrukturu) dobivene su na podlogama (100)2° off i (995). Značajno je da su svi slojevi ostali bez pukotina nakon hlađenja, uključujući i tipično naprezanju skloni 3C-SiC(111). Ograničena veličina uzorka možda je spriječila pucanje, iako su neki uzorci pokazali savijanje (otklon od 30-60 μm od centra do ruba) koje se može uočiti pod optičkom mikroskopijom pri uvećanju od 1000× zbog akumuliranog termičkog naprezanja. Visoko zakrivljeni slojevi uzgojeni na Si(111), (211) i (553) podlogama pokazali su konkavne oblike koji ukazuju na zateznu deformaciju, što je zahtijevalo daljnji eksperimentalni i teorijski rad kako bi se korelirali s kristalografskom orijentacijom.
Slika 1 sumira rezultate XRD i AFM (skeniranje na 20×20 μ m2) 3C-SC slojeva uzgojenih na Si podlogama s različitim orijentacijama.
Slike dobijene mikroskopijom atomskih sila (AFM) (Sl. 2) potvrdile su optička zapažanja. Vrijednosti srednjeg korijena kvadrata (RMS) potvrdile su najglađe površine na podlogama (100)2° od (100)2° i (995), sa strukturama nalik zrnima i lateralnim dimenzijama od 400-800 nm. Sloj uzgojen u (110) bio je najgrublji, dok su se izdužene i/ili paralelne karakteristike sa povremenim oštrim granicama pojavile u drugim orijentacijama ((331), (510)). Skeniranja rendgenske difrakcije (XRD) θ-2θ (sumirana u Tabeli 1) otkrila su uspješnu heteroepitaksiju za podloge sa nižim Millerovim indeksom, osim za Si(110) koji je pokazao mješovite vrhove 3C-SiC(111) i (110) koji ukazuju na polikristalnost. Ovo miješanje orijentacija je prethodno zabilježeno za Si(110), iako su neke studije uočile isključivo (111)-orijentisani 3C-SiC, što sugerira da je optimizacija uslova rasta ključna. Za Millerove indekse ≥5 ((510), (553), (995)), nisu detektovani XRD vrhovi u standardnoj θ-2θ konfiguraciji jer ove ravni visokog indeksa ne difraktuju u ovoj geometriji. Odsustvo vrhova 3C-SiC niskog indeksa (npr. (111), (200)) ukazuje na rast monokristala, što zahtijeva naginjanje uzorka kako bi se detektovala difrakcija od ravni niskog indeksa.
Slika 2 prikazuje proračun ugla ravni unutar kristalne strukture CFC-a.
Izračunati kristalografski uglovi između ravni visokog i niskog indeksa (Tabela 2) pokazali su velike dezorijentacije (>10°), što objašnjava njihovo odsustvo u standardnim θ-2θ skeniranjima. Analiza polnih figura je stoga provedena na uzorku orijentisanom (995) zbog njegove neobične granularne morfologije (potencijalno zbog stupčastog rasta ili blizanjstva) i niske hrapavosti. Polne figure (111) (Slika 3) sa Si podloge i 3C-SiC sloja bile su gotovo identične, što potvrđuje epitaksijalni rast bez blizanjstva. Centralna tačka se pojavila na χ≈15°, što odgovara teorijskom uglu (111)-(995). Tri simetrijski ekvivalentne tačke su se pojavile na očekivanim pozicijama (χ=56,2°/φ=269,4°, χ=79°/φ=146,7° i 33,6°), iako nepredviđena slaba tačka na χ=62°/φ=93,3° zahtijeva daljnja istraživanja. Kristalni kvalitet, procijenjen putem širine mrlje na φ-skeniranju, djeluje obećavajuće, iako su za kvantifikaciju potrebna mjerenja krivulje ljuljanja. Polarne slike za uzorke (510) i (553) tek trebaju biti dovršene kako bi se potvrdila njihova pretpostavljena epitaksijalna priroda.
Slika 3 prikazuje XRD dijagram pikova snimljen na uzorku orijentisanom (995), koji prikazuje (111) ravni Si supstrata (a) i 3C-SiC sloja (b).
4. Zaključak
Heteroepitaksijalni 3C-SiC rast je uspio na većini Si orijentacija osim (110), koja je dala polikristalni materijal. Si(100)2° off i (995) supstrati su proizveli najglađe slojeve (RMS <1 nm), dok su (111), (211) i (553) pokazali značajno savijanje (30-60 μm). Supstrati visokog indeksa zahtijevaju naprednu XRD karakterizaciju (npr. polarne figure) kako bi se potvrdila epitaksija zbog odsutnosti θ-2θ vrhova. Tekući rad uključuje mjerenja krivulje ljuljanja, Ramanovu analizu napona i proširenje na dodatne orijentacije visokog indeksa kako bi se završila ova istraživačka studija.
Kao vertikalno integrirani proizvođač, XKH pruža profesionalne usluge prilagođene obrade sa sveobuhvatnim portfoliom silicijum-karbidnih supstrata, nudeći standardne i specijalizirane tipove, uključujući 4H/6H-N, 4H-Semi, 4H/6H-P i 3C-SiC, dostupne u promjerima od 2 inča do 12 inča. Naša sveobuhvatna stručnost u rastu kristala, preciznoj obradi i osiguranju kvalitete osigurava prilagođena rješenja za energetsku elektroniku, RF i nove primjene.
Vrijeme objave: 08.08.2025.