1. Sissejuhatus
Vaatamata aastakümneid kestnud uuringutele ei ole ränisubstraatidele kasvatatud heteroepitaksiaalne 3C-SiC veel saavutanud tööstusliku elektroonika rakenduste jaoks piisavat kristallikvaliteeti. Kasvatamine toimub tavaliselt Si(100) või Si(111) substraatidel, millest igaühel on omad väljakutsed: antifaasilised domeenid (100) puhul ja pragunemine (111) puhul. Kuigi [111]-orienteeritud kiledel on paljulubavad omadused, nagu vähenenud defektide tihedus, parem pinnamorfoloogia ja madalam pinge, on alternatiivsed orientatsioonid, nagu (110) ja (211), endiselt vähe uuritud. Olemasolevad andmed näitavad, et optimaalsed kasvutingimused võivad olla orientatsioonispetsiifilised, mis raskendab süstemaatilist uurimist. Märkimisväärselt ei ole kunagi teatatud kõrgema Milleri indeksiga Si substraatide (nt (311), (510)) kasutamisest 3C-SiC heteroepitaksias, mis jätab märkimisväärselt ruumi orientatsioonist sõltuvate kasvumehhanismide uurimuslikele uuringutele.
2. Eksperimentaalne
3C-SiC kihid sadestati atmosfäärirõhu keemilise aurustamise (CVD) teel, kasutades SiH4/C3H8/H2 eellasgaase. Substraatideks olid 1 cm² suurused Si-plaadid erinevate orientatsioonidega: (100), (111), (110), (211), (311), (331), (510), (553) ja (995). Kõik substraadid olid teljel, välja arvatud (100), kus testiti lisaks 2° nurga all lõigatud plaate. Kasvueelne puhastamine hõlmas ultraheli rasvaärastust metanoolis. Kasvuprotokoll hõlmas natiivse oksiidi eemaldamist H2 lõõmutamise teel temperatuuril 1000 °C, millele järgnes standardne kaheastmeline protsess: karastamine 10 minutit temperatuuril 1165 °C 12 sccm C3H8-ga, seejärel epitaksieerimine 60 minutit temperatuuril 1350 °C (C/Si suhe = 4), kasutades 1,5 sccm SiH4 ja 2 sccm C3H8. Iga kasvuperiood hõlmas nelja kuni viit erinevat Si orientatsiooni, kusjuures kasutati vähemalt ühte (100) võrdlusplaati.
3. Tulemused ja arutelu
Erinevatele Si aluspindadele kasvatatud 3C-SiC kihtide morfoloogia (joonis 1) näitas erinevaid pinnaomadusi ja karedust. Visuaalselt nägid Si(100), (211), (311), (553) ja (995) aluspindadel kasvatatud proovid peegelsiledad välja, teised aga varieerusid piimjast ((331), (510)) kuni tuhmini ((110), (111)). Kõige siledamad pinnad (mis näitasid parimat mikrostruktuuri) saadi (100)2° off ja (995) aluspindadel. Tähelepanuväärne on see, et kõik kihid jäid pärast jahutamist pragudeta, sealhulgas tavaliselt pingetele kalduv 3C-SiC(111). Piiratud proovi suurus võis pragunemist ära hoida, kuigi mõnedel proovidel esines akumuleerunud termilise pinge tõttu paindumist (30–60 μm läbipaine keskelt servani), mis oli optilise mikroskoobi all 1000-kordse suurenduse juures tuvastatav. Si(111), (211) ja (553) aluspindadele kasvatatud tugevalt kumerate kihtide kuju viitab tõmbepingele, mis nõuab täiendavat eksperimentaalset ja teoreetilist tööd, et see korreleeruks kristalograafilise orientatsiooniga.
Joonis 1 võtab kokku erineva orientatsiooniga Si-substraatidele kasvatatud 3C-SC kihtide XRD ja AFM (skaneerimine 20×20 μm2 juures) tulemused.
Aatomjõumikroskoopia (AFM) pildid (joonis 2) kinnitasid optilisi vaatlusi. Ruutkeskmise väärtused (RMS) kinnitasid kõige siledamaid pindu (100)2° off ja (995) aluspindadel, millel esinesid terakujulised struktuurid külgmõõtmetega 400–800 nm. (110)-ga kasvatatud kiht oli kõige karedam, samas kui teistes orientatsioonides ilmnesid piklikud ja/või paralleelsed tunnused, millel olid kohati teravad piirid ((331), (510)). Röntgendifraktsiooni (XRD) θ-2θ skaneeringud (kokku võetud tabelis 1) näitasid edukat heteroepitaksiat madalama Milleri indeksiga aluspindadel, välja arvatud Si(110), millel ilmnesid polükristallilisusele viitavad 3C-SiC(111) ja (110) segapiigid. Seda orientatsiooni segunemist on varem Si(110) puhul täheldatud, kuigi mõned uuringud on täheldanud ainult (111)-orienteeritud 3C-SiC-d, mis viitab kasvutingimuste optimeerimise kriitilisele vajadusele. Milleri indeksite ≥5 ((510), (553), (995)) korral ei tuvastatud standardse θ-2θ konfiguratsiooni korral XRD-piike, kuna need kõrge indeksiga tasandid selles geomeetrias ei difraktseeru. Madala indeksiga 3C-SiC piikide puudumine (nt (111), (200)) viitab monokristallilisele kasvule, mis nõuab proovi kallutamist, et tuvastada difraktsiooni madala indeksiga tasandid.
Joonis 2 näitab CFC kristallstruktuuri tasapinna nurga arvutamist.
Kõrge ja madala indeksiga tasapindade vahelised arvutatud kristalograafilised nurgad (tabel 2) näitasid suuri orientatsioonihälbeid (>10°), mis selgitab nende puudumist standardsetes θ-2θ skaneeringutes. Seetõttu viidi pooluskujude analüüs läbi (995)-orienteeritud proovil selle ebatavalise granulaarse morfoloogia (potentsiaalselt sammaskasvu või kaksikstruktuuri tõttu) ja madala kareduse tõttu. Si-substraadi ja 3C-SiC kihi (111)-pooluskujud (joonis 3) olid peaaegu identsed, mis kinnitas epitaksiaalset kasvu ilma kaksikstruktuurita. Keskne täpp ilmus nurga χ≈15° juures, mis vastas teoreetilisele (111)-(995) nurgale. Kolm sümmeetriaekvivalentset täppi ilmusid oodatud positsioonidele (χ=56,2°/φ=269,4°, χ=79°/φ=146,7° ja 33,6°), kuigi ennustamata nõrk koht nurga χ=62°/φ=93,3° juures vajab edasist uurimist. Kristalliline kvaliteet, mida hinnati φ-skaneeringute abil täpi laiuse abil, tundub paljulubav, kuigi kvantifitseerimiseks on vaja õõtsumiskõvera mõõtmisi. (510) ja (553) proovide pooluste joonised tuleb veel lõpule viia, et kinnitada nende eeldatavat epitaksiaalset olemust.
Joonis 3 näitab (995) orientatsiooniga proovil salvestatud XRD piikide diagrammi, mis kuvab Si-substraadi (a) ja 3C-SiC kihi (b) (111) tasapindu.
4. Kokkuvõte
Heteroepitaksiaalne 3C-SiC kasv õnnestus enamiku Si orientatsioonide korral, välja arvatud (110), mis andis polükristallilise materjali. Si(100)2° off ja (995) substraadid andsid kõige siledamad kihid (RMS <1 nm), samas kui (111), (211) ja (553) näitasid märkimisväärset kumerust (30–60 μm). Kõrge indeksiga substraadid vajavad epitaksiaks täiustatud XRD-iseloomustust (nt poolusjoonised), mis on tingitud θ-2θ piikide puudumisest. Käimasolev töö hõlmab õõtsumiskõvera mõõtmisi, Ramani pingeanalüüsi ja laiendamist täiendavatele kõrge indeksiga orientatsioonidele selle uurimusliku uuringu lõpuleviimiseks.
Vertikaalselt integreeritud tootjana pakub XKH professionaalseid kohandatud töötlemisteenuseid laiaulatusliku ränikarbiidist aluspindade portfelliga, pakkudes standardseid ja spetsialiseeritud tüüpe, sealhulgas 4H/6H-N, 4H-Semi, 4H/6H-P ja 3C-SiC, läbimõõduga 2–12 tolli. Meie otsast lõpuni põhine kristallide kasvatamise, täppistöötluse ja kvaliteedi tagamise oskusteave tagab kohandatud lahendused jõuelektroonika, raadiosageduse ja uute rakenduste jaoks.
Postituse aeg: 08.08.2025