1. Uvod
Kljub desetletjem raziskav heteroepitaksialni 3C-SiC, vzgojen na silicijevih substratih, še ni dosegel zadostne kristalne kakovosti za industrijsko elektronsko uporabo. Rast se običajno izvaja na substratih Si(100) ali Si(111), pri čemer vsak predstavlja svojevrstne izzive: antifazne domene za (100) in razpoke za (111). Medtem ko filmi, usmerjeni v [111], kažejo obetavne lastnosti, kot so zmanjšana gostota defektov, izboljšana površinska morfologija in nižja napetost, alternativne orientacije, kot sta (110) in (211), ostajajo premalo raziskane. Obstoječi podatki kažejo, da so optimalni pogoji rasti lahko specifični za orientacijo, kar otežuje sistematične raziskave. Omeniti velja, da uporaba Si substratov z višjim Millerjevim indeksom (npr. (311), (510)) za heteroepitaksijo 3C-SiC še ni bila opisana, kar pušča veliko prostora za raziskovalne raziskave mehanizmov rasti, odvisnih od orientacije.
2. Eksperimentalno
Plasti 3C-SiC so bile nanesene s kemičnim nanašanjem iz pare pri atmosferskem tlaku (CVD) z uporabo predhodnih plinov SiH4/C3H8/H2. Substrati so bile 1 cm² Si rezine z različnimi orientacijami: (100), (111), (110), (211), (311), (331), (510), (553) in (995). Vse podlage so bile na osi, razen (100), kjer so bile dodatno preizkušene 2° odrezane rezine. Čiščenje pred rastjo je vključevalo ultrazvočno razmaščevanje v metanolu. Protokol rasti je vključeval odstranitev nativnega oksida z žarjenjem z H2 pri 1000 °C, ki mu je sledil standardni dvostopenjski postopek: 10-minutna cementacija pri 1165 °C z 12 sccm C3H8, nato 60-minutna epitaksija pri 1350 °C (razmerje C/Si = 4) z uporabo 1,5 sccm SiH4 in 2 sccm C3H8. Vsak rastni proces je vključeval štiri do pet različnih orientacij Si z vsaj eno (100) referenčno rezino.
3. Rezultati in razprava
Morfologija plasti 3C-SiC, vzgojenih na različnih Si substratih (slika 1), je pokazala izrazite površinske značilnosti in hrapavost. Vizualno so bili vzorci, vzgojeni na Si(100), (211), (311), (553) in (995), videti zrcalni, medtem ko so bili drugi vzorci od mlečne ((331), (510)) do mat ((110), (111)). Najbolj gladke površine (z najfinejšo mikrostrukturo) so bile pridobljene na substratih (100)2° off in (995). Presenetljivo je, da so vse plasti po ohlajanju ostale brez razpok, vključno s 3C-SiC(111), ki je tipično nagnjen k napetostim. Omejena velikost vzorca je morda preprečila razpoke, čeprav so nekateri vzorci pokazali upogibanje (odklon 30–60 μm od središča do roba), ki ga je bilo mogoče zaznati pod optično mikroskopijo pri 1000-kratni povečavi zaradi nakopičene toplotne napetosti. Močno ukrivljene plasti, vzgojene na substratih Si(111), (211) in (553), so pokazale konkavne oblike, ki kažejo na natezno deformacijo, kar je zahtevalo nadaljnje eksperimentalno in teoretično delo za korelacijo s kristalografsko orientacijo.
Slika 1 povzema rezultate XRD in AFM (skeniranje pri 20 × 20 μ m2) plasti 3C-SC, vzgojenih na Si substratih z različnimi orientacijami.
Slike, pridobljene z mikroskopijo atomskih sil (AFM) (slika 2), so potrdile optična opazovanja. Vrednosti korena povprečja kvadratov (RMS) so potrdile najgladkejše površine na substratih, usmerjenih v smeri (100)2° in (995), z zrnatimi strukturami in stranskimi dimenzijami 400–800 nm. Plast, vzgojena v smeri (110), je bila najbolj hrapava, medtem ko so se podolgovate in/ali vzporedne značilnosti z občasnimi ostrimi mejami pojavile v drugih orientacijah ((331), (510)). Rentgenska difrakcijska (XRD) θ-2θ skeniranja (povzeto v tabeli 1) so pokazala uspešno heteroepitaksijo za substrate z nižjim Millerjevim indeksom, razen za Si(110), ki je pokazal mešane vrhove 3C-SiC(111) in (110), kar kaže na polikristalnost. To mešanje orientacij je bilo že prej opisano za Si(110), čeprav so nekatere študije opazile izključno 3C-SiC, usmerjen v smeri (111), kar kaže na to, da je optimizacija pogojev rasti ključnega pomena. Za Millerjeve indekse ≥5 ((510), (553), (995)) v standardni konfiguraciji θ-2θ niso bili zaznani vrhovi XRD, ker te ravnine z visokim indeksom v tej geometriji ne difraktirajo. Odsotnost vrhov 3C-SiC z nizkim indeksom (npr. (111), (200)) kaže na rast enega kristala, ki zahteva nagibanje vzorca za zaznavanje difrakcije od ravnin z nizkim indeksom.
Slika 2 prikazuje izračun kota ravnine znotraj kristalne strukture CFC.
Izračunani kristalografski koti med ravninami z visokim in nizkim indeksom (tabela 2) so pokazali velike dezorientacije (> 10°), kar pojasnjuje njihovo odsotnost v standardnih θ-2θ skeniranjih. Analiza polnih figur je bila zato izvedena na vzorcu z orientacijo (995) zaradi njegove nenavadne zrnate morfologije (morda zaradi stebrične rasti ali dvojčkovanja) in nizke hrapavosti. Polne figure (111) (slika 3) iz Si substrata in plasti 3C-SiC so bile skoraj identične, kar potrjuje epitaksialno rast brez dvojčkovanja. Osrednja pega se je pojavila pri χ≈15°, kar ustreza teoretičnemu kotu (111)-(995). Tri simetrično ekvivalentne pege so se pojavile na pričakovanih položajih (χ=56,2°/φ=269,4°, χ=79°/φ=146,7° in 33,6°), čeprav nepredvidena šibka točka pri χ=62°/φ=93,3° zahteva nadaljnje preiskave. Kristalna kakovost, ocenjena s širino pege v φ-skeniranju, se zdi obetavna, čeprav so za kvantifikacijo potrebne meritve krivulje zibanja. Polarno slikanje vzorcev (510) in (553) je treba še dokončati, da se potrdi njihova domnevna epitaksialna narava.
Slika 3 prikazuje diagram vrhov XRD, posnet na vzorcu, orientiranem z (995), ki prikazuje ravnine (111) Si substrata (a) in plast 3C-SiC (b).
4. Zaključek
Heteroepitaksialna rast 3C-SiC je bila uspešna na večini orientacij Si, razen na (110), kjer je nastal polikristalni material. Podlage Si(100)2° off in (995) so ustvarile najgladkejše plasti (RMS <1 nm), medtem ko so podlage (111), (211) in (553) pokazale znatno upogibanje (30–60 μm). Podlage z visokim indeksom zahtevajo napredno rentgensko difrakcijsko karakterizacijo (npr. polarne figure) za potrditev epitaksije zaradi odsotnosti vrhov θ-2θ. Tekoče delo vključuje meritve krivulje zibanja, Ramanovo analizo napetosti in razširitev na dodatne orientacije z visokim indeksom za dokončanje te raziskovalne študije.
Kot vertikalno integriran proizvajalec XKH ponuja profesionalne storitve obdelave po meri s celovito ponudbo silicijevega karbidnega substrata, vključno s 4H/6H-N, 4H-Semi, 4H/6H-P in 3C-SiC, ki so na voljo v premerih od 2 do 12 palcev. Naše celovito strokovno znanje na področju rasti kristalov, natančne obdelave in zagotavljanja kakovosti zagotavlja prilagojene rešitve za energetsko elektroniko, radiofrekvenčne tehnologije in novejše aplikacije.
Čas objave: 8. avg. 2025