1. Увод
Упркос деценијама истраживања, хетероепитаксијални 3C-SiC узгајан на силицијумским подлогама још увек није постигао довољан кристални квалитет за индустријске електронске примене. Раст се обично врши на Si(100) или Si(111) подлогама, при чему свака представља различите изазове: антифазне домене за (100) и пуцање за (111). Док филмови оријентисани [111] показују обећавајуће карактеристике као што су смањена густина дефеката, побољшана површинска морфологија и нижи напон, алтернативне оријентације попут (110) и (211) остају недовољно проучене. Постојећи подаци указују на то да оптимални услови раста могу бити специфични за оријентацију, што компликује систематско истраживање. Приметно је да употреба Si подлога са вишим Милеровим индексом (нпр. (311), (510)) за 3C-SiC хетероепитаксију никада није објављена, што оставља значајан простор за истраживачка истраживања о механизмима раста зависним од оријентације.
2. Експериментално
3C-SiC слојеви су депоновани методом хемијског таложења из парне фазе (CVD) под атмосферским притиском коришћењем SiH4/C3H8/H2 прекурсорских гасова. Подлоге су биле Si плочице површине 1 cm² са различитим оријентацијама: (100), (111), (110), (211), (311), (331), (510), (553) и (995). Све подлоге су биле на оси осим (100), где су додатно тестиране плочице исечене под углом од 2°. Чишћење пре раста је укључивало ултразвучно одмашћивање у метанолу. Протокол раста обухватао је уклањање изворног оксида жарење H2 на 1000°C, након чега је уследио стандардни двостепени процес: карбуризација током 10 минута на 1165°C са 12 sccm C3H8, затим епитаксија током 60 минута на 1350°C (однос C/Si = 4) користећи 1,5 sccm SiH4 и 2 sccm C3H8. Сваки циклус раста обухватао је четири до пет различитих Si оријентација, са најмање једном (100) референтном плочицом.
3. Резултати и дискусија
Морфологија 3C-SiC слојева узгајаних на различитим Si подлогама (Сл. 1) показала је изразите површинске карактеристике и храпавост. Визуелно, узорци узгајани на Si(100), (211), (311), (553) и (995) изгледали су попут огледала, док су други изгледали од млечне ((331), (510)) до мат ((110), (111)). Најглађе површине (које показују најфинију микроструктуру) добијене су на подлогама (100)2° off и (995). Занимљиво је да су сви слојеви остали без пукотина након хлађења, укључујући и типично склони напрезању 3C-SiC(111). Ограничена величина узорка је можда спречила пуцање, иако су неки узорци показали савијање (отклон од 30-60 μm од центра до ивице) које се може детектовати под оптичком микроскопијом при увећању од 1000× због акумулираног термичког напрезања. Јако закривљени слојеви узгајани на Si(111), (211) и (553) подлогама показали су конкавне облике који указују на затезну деформацију, што захтева даљи експериментални и теоријски рад како би се повезали са кристалографском оријентацијом.
Слика 1 сумира резултате XRD и AFM (скенирање на 20×20 μ m2) 3C-SC слојева узгајаних на Si подлогама са различитим оријентацијама.
Слике добијене атомском силовом микроскопијом (АСМ) (Сл. 2) потврдиле су оптичка запажања. Вредности средње квадратне вредности (RMS) потврдиле су најглађе површине на подлогама са (100)2° одступања и (995), са структурама налик зрнцима и бочним димензијама од 400-800 nm. Слој узгајан у (110) био је најгрубљи, док су се издужене и/или паралелне карактеристике са повременим оштрим границама појавиле у другим оријентацијама ((331), (510)). θ-2θ скенирање рендгенске дифракције (XRD) (сумирано у Табели 1) открило је успешну хетероепитаксију за подлоге са нижим Милеровим индексом, осим за Si(110) који је показао мешовите врхове 3C-SiC(111) и (110) што указује на поликристалност. Ово мешање оријентација је претходно објављено за Si(110), иако су неке студије приметиле искључиво (111)-оријентисани 3C-SiC, што сугерише да је оптимизација услова раста критична. За Милерове индексе ≥5 ((510), (553), (995)), нису детектовани XRD пикови у стандардној θ-2θ конфигурацији, јер ове равни високог индекса не дифрактују у овој геометрији. Одсуство пикова 3C-SiC ниског индекса (нпр. (111), (200)) указује на раст монокристалног система, што захтева нагињање узорка да би се детектовала дифракција од равни ниског индекса.
Слика 2 приказује израчунавање угла равни унутар кристалне структуре CFC-а.
Израчунати кристалографски углови између равни високог и ниског индекса (Табела 2) показали су велике дезоријентације (>10°), што објашњава њихово одсуство у стандардним θ-2θ скеновима. Анализа полних фигура је стога спроведена на узорку оријентисаном (995) због његове неуобичајене грануларне морфологије (потенцијално од стубчастог раста или двојничења) и мале храпавости. Полне фигуре (111) (Сл. 3) са Si подлоге и 3C-SiC слоја биле су скоро идентичне, што потврђује епитаксијални раст без двојничења. Централна тачка се појавила на χ≈15°, што одговара теоријском углу (111)-(995). Три симетријски еквивалентне тачке појавиле су се на очекиваним позицијама (χ=56,2°/φ=269,4°, χ=79°/φ=146,7° и 33,6°), иако непредвиђена слаба тачка на χ=62°/φ=93,3° захтева даља истраживања. Кристални квалитет, процењен преко ширине тачке на φ-скеновима, делује обећавајуће, иако су за квантификацију потребна мерења криве љуљања. Полне слике за узорке (510) и (553) тек треба да се заврше како би се потврдила њихова претпостављена епитаксијална природа.
Слика 3 приказује XRD дијаграм пикова снимљен на узорку оријентисаном (995), који приказује равни (111) Si подлоге (а) и 3C-SiC слоја (б).
4. Закључак
Хетероепитаксијални раст 3C-SiC је успешан на већини Si оријентација осим (110), која је дала поликристални материјал. Si(100)2° off и (995) подлоге су произвеле најглађе слојеве (RMS <1 nm), док су (111), (211) и (553) показале значајно савијање (30-60 μm). Подлоге високог индекса захтевају напредну XRD карактеризацију (нпр. полне фигуре) како би се потврдила епитаксија због одсуства θ-2θ врхова. Текући рад укључује мерења криве љуљања, Раманову анализу напона и проширење на додатне оријентације високог индекса како би се завршила ова истраживачка студија.
Као вертикално интегрисани произвођач, XKH пружа професионалне услуге прилагођене обраде са свеобухватним портфолиом силицијум карбидних подлога, нудећи стандардне и специјализоване типове, укључујући 4H/6H-N, 4H-Semi, 4H/6H-P и 3C-SiC, доступне у пречницима од 2 до 12 инча. Наше свеобухватно искуство у расту кристала, прецизној обради и осигурању квалитета обезбеђује прилагођена решења за енергетску електронику, РФ и нове примене.
Време објаве: 08.08.2025.