1. Uvod
Unatoč desetljećima istraživanja, heteroepitaksijalni 3C-SiC uzgojen na silicijskim podlogama još nije postigao dovoljnu kristalnu kvalitetu za industrijske elektroničke 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 orijentirani prema [111] pokazuju obećavajuće karakteristike poput smanjene gustoće defekata, poboljšane površinske morfologije i nižeg naprezanja, alternativne orijentacije poput (110) i (211) ostaju nedovoljno proučene. Postojeći podaci sugeriraju da optimalni uvjeti rasta mogu biti specifični za orijentaciju, što komplicira sustavno istraživanje. Posebno je važno napomenuti da upotreba Si podloga s višim Millerovim indeksom (npr. (311), (510)) za 3C-SiC heteroepitaksiju nikada nije objavljena, što ostavlja značajan prostor za istraživačka istraživanja mehanizama rasta ovisnih o orijentaciji.
2. Eksperimentalno
Slojevi 3C-SiC naneseni su kemijskim taloženjem iz pare (CVD) pri atmosferskom tlaku korištenjem SiH4/C3H8/H2 prekursorskih plinova. Podloge su bile Si pločice površine 1 cm² s 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 kutom od 2°. Čišćenje prije rasta uključivalo je ultrazvučno odmašćivanje u metanolu. Protokol rasta uključivao je uklanjanje izvornog oksida žarenjem H2 na 1000 °C, nakon čega je slijedio standardni dvostupanjski postupak: cementacija tijekom 10 minuta na 1165 °C s 12 sccm C3H8, zatim epitaksija tijekom 60 minuta na 1350 °C (omjer C/Si = 4) korištenjem 1,5 sccm SiH4 i 2 sccm C3H8. Svaki ciklus rasta uključivao je četiri do pet različitih orijentacija Si, s barem jednom (100) referentnom pločicom.
3. Rezultati i rasprava
Morfologija 3C-SiC slojeva uzgojenih na različitim Si podlogama (slika 1) pokazala je različite površinske značajke i hrapavost. Vizualno, uzorci uzgojeni na Si(100), (211), (311), (553) i (995) izgledali su zrcalno, dok su drugi bili u rasponu od mliječne ((331), (510)) do mat ((110), (111)). Najglađe površine (s najfinijom mikrostrukturom) 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 središta do ruba) koje se može uočiti pod optičkom mikroskopijom pri povećanju od 1000× zbog akumuliranog toplinskog naprezanja. Visoko zakrivljeni slojevi uzgojeni na Si(111), (211) i (553) podlogama pokazali su konkavne oblike koji ukazuju na vlačnu deformaciju, što je zahtijevalo daljnji eksperimentalni i teorijski rad kako bi se korelirali s kristalografskom orijentacijom.
Slika 1 sažima rezultate XRD i AFM (skeniranje pri 20×20 μ m2) 3C-SC slojeva uzgojenih na Si podlogama s različitim orijentacijama.
Slike dobivene mikroskopijom atomskih sila (AFM) (slika 2) potvrdile su optička opažanja. Vrijednosti srednjeg korijena kvadrata (RMS) potvrdile su najglađe površine na podlogama (100)2° od (100)2° i (995), sa strukturama nalik zrnima s lateralnim dimenzijama od 400-800 nm. Sloj uzgojen u smjeru (110) bio je najgrublji, dok su se izduženi i/ili paralelni elementi s povremenim oštrim granicama pojavili u drugim orijentacijama ((331), (510)). Skeniranja rendgenske difrakcije (XRD) θ-2θ (sažeta u tablici 1) otkrila su uspješnu heteroepitaksiju za podloge s nižim Millerovim indeksom, osim za Si(110) koji je pokazao miješane vrhove 3C-SiC(111) i (110) koji ukazuju na polikristalnost. Ovo miješanje orijentacija prethodno je zabilježeno za Si(110), iako su neke studije uočile isključivo (111)-orijentirani 3C-SiC, što sugerira da je optimizacija uvjeta rasta ključna. Za Millerove indekse ≥5 ((510), (553), (995)), nisu detektirani XRD vrhovi u standardnoj θ-2θ konfiguraciji budući da ove ravnine visokog indeksa ne difraktiraju u ovoj geometriji. Odsutnost vrhova 3C-SiC niskog indeksa (npr. (111), (200)) sugerira rast monokristala, što zahtijeva naginjanje uzorka kako bi se detektirala difrakcija od ravnina niskog indeksa.
Slika 2 prikazuje izračun kuta ravnine unutar kristalne strukture CFC-a.
Izračunati kristalografski kutovi između ravnina visokog i niskog indeksa (Tablica 2) pokazali su velike dezorijentacije (>10°), što objašnjava njihovu odsutnost u standardnim θ-2θ skeniranjima. Analiza polnih figura stoga je provedena na uzorku orijentiranom (995) zbog njegove neobične granularne morfologije (potencijalno zbog stupčastog rasta ili dvojakiranja) i niske hrapavosti. Polne figure (111) (Sl. 3) iz Si podloge i 3C-SiC sloja bile su gotovo identične, što potvrđuje epitaksijalni rast bez dvojakiranja. Središnja točka pojavila se na χ≈15°, što odgovara teorijskom kutu (111)-(995). Tri simetrijski ekvivalentne točke pojavile su se na očekivanim položajima (χ=56,2°/φ=269,4°, χ=79°/φ=146,7° i 33,6°), iako nepredviđena slaba točka na χ=62°/φ=93,3° zahtijeva daljnja istraživanja. Kristalna kvaliteta, procijenjena širinom mrlje u φ-skeniranju, čini se obećavajućom, 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 vrhova snimljen na uzorku orijentiranom (995), koji prikazuje ravnine (111) Si podloge (a) i 3C-SiC sloja (b).
4. Zaključak
Heteroepitaksijalni rast 3C-SiC uspio je na većini Si orijentacija osim (110), koja je dala polikristalni materijal. Si(100)2° off i (995) podloge proizvele su najglađe slojeve (RMS <1 nm), dok su (111), (211) i (553) pokazale značajno savijanje (30-60 μm). Podloge 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 naprezanja i proširenje na dodatne orijentacije visokog indeksa kako bi se dovršila ova istraživačka studija.
Kao vertikalno integrirani proizvođač, XKH pruža profesionalne usluge prilagođene obrade s opsežnim portfeljem silicij-karbidnih supstrata, nudeći standardne i specijalizirane tipove, uključujući 4H/6H-N, 4H-Semi, 4H/6H-P i 3C-SiC, dostupne u promjerima od 2 do 12 inča. Naša cjelovita stručnost u rastu kristala, preciznoj obradi i osiguranju kvalitete osigurava prilagođena rješenja za energetsku elektroniku, RF i nove primjene.
Vrijeme objave: 08.08.2025.