1. Įvadas
Nepaisant dešimtmečius trukusių tyrimų, ant silicio substratų auginamas heteroepitaksinis 3C-SiC dar nepasiekė pakankamos kristalinės kokybės pramoninei elektronikai. Auginimas paprastai atliekamas ant Si(100) arba Si(111) substratų, kurių kiekvienas kelia skirtingus iššūkius: antifaziniai domenai (100) ir įtrūkimai (111) atveju. Nors [111] orientuotos plėvelės pasižymi daug žadančiomis savybėmis, tokiomis kaip sumažėjęs defektų tankis, pagerinta paviršiaus morfologija ir mažesnis įtempis, alternatyvios orientacijos, tokios kaip (110) ir (211), lieka nepakankamai ištirtos. Esami duomenys rodo, kad optimalios augimo sąlygos gali būti specifinės orientacijai, o tai apsunkina sisteminius tyrimus. Pažymėtina, kad didesnio Millerio indekso Si substratų (pvz., (311), (510)) naudojimas 3C-SiC heteroepitaksijai niekada nebuvo aprašytas, todėl lieka daug erdvės orientacijos priklausomų augimo mechanizmų tyrimams.
2. Eksperimentinis
3C-SiC sluoksniai buvo nusodinti atmosferos slėgio cheminio garų nusodinimo (CVD) būdu, naudojant SiH4/C3H8/H2 pirmtakų dujas. Pagrindai buvo 1 cm² Si plokštelės su įvairiomis orientacijomis: (100), (111), (110), (211), (311), (331), (510), (553) ir (995). Visi pagrindai buvo išdėstyti ant ašies, išskyrus (100), kur papildomai buvo išbandytos 2° kampu nupjautos plokštelės. Prieš auginimą valymas apėmė ultragarsinį riebalų šalinimą metanolyje. Augimo protokolas apėmė natyvaus oksido pašalinimą atkaitinant H2 1000 °C temperatūroje, po to standartinį dviejų pakopų procesą: 10 minučių įanglinimą 1165 °C temperatūroje su 12 sccm C3H8, tada epitaksiją 60 minučių 1350 °C temperatūroje (C/Si santykis = 4) naudojant 1,5 sccm SiH4 ir 2 sccm C3H8. Kiekvienas augimo ciklas apėmė keturias – penkias skirtingas Si orientacijas ir bent vieną (100) etaloninę plokštelę.
3. Rezultatai ir aptarimas
Ant įvairių Si substratų užaugintų 3C-SiC sluoksnių morfologija (1 pav.) pasižymėjo skirtingais paviršiaus bruožais ir šiurkštumu. Vizualiai ant Si(100), (211), (311), (553) ir (995) užauginti mėginiai atrodė veidrodiniai, o kiti svyravo nuo pieniškų ((331), (510)) iki matinių ((110), (111)). Lygiausi paviršiai (rodantys geriausią mikrostruktūrą) gauti ant (100)2° ir (995) substratų. Įdomu tai, kad po aušinimo visi sluoksniai, įskaitant tipiškai įtempiams linkusį 3C-SiC(111), išliko be įtrūkimų. Ribotas mėginio dydis galėjo užkirsti kelią įtrūkimams, nors kai kurie mėginiai dėl susikaupusio terminio įtempio parodė išlinkimą (30–60 μm nuokrypis nuo centro iki krašto), kurį galima aptikti optiniu mikroskopu esant 1000 kartų padidinimui. Ant Si(111), (211) ir (553) substratų užauginti labai išlenkti sluoksniai turėjo įgaubtas formas, rodančias tempimo įtempį, todėl reikėjo atlikti tolesnius eksperimentinius ir teorinius tyrimus, kad būtų galima susieti juos su kristalografine orientacija.
1 paveiksle apibendrinti ant skirtingos orientacijos Si substratų užaugintų 3C-SC sluoksnių XRD ir AFM (skenavimo esant 20 × 20 μ m2) rezultatai.
Atominės jėgos mikroskopijos (AFM) vaizdai (2 pav.) patvirtino optinius stebėjimus. Vidutinės kvadratinės šaknies (RMS) vertės patvirtino lygiausius paviršius ant (100)2° kampu nukreiptų ir (995) substratų, pasižyminčių grūdelių pavidalo struktūromis, kurių šoniniai matmenys yra 400–800 nm. (110) orientacijos sluoksnis buvo šiurkščiausias, o kitose orientacijose atsirado pailgų ir (arba) lygiagrečių darinių su retkarčiais pasitaikančiomis ryškiomis ribomis ((331), (510)). Rentgeno spindulių difrakcijos (XRD) θ-2θ skenavimai (apibendrinta 1 lentelėje) parodė sėkmingą heteroepitaksiją mažesnio Millerio indekso substratams, išskyrus Si(110), kuriame buvo matyti mišrūs 3C-SiC(111) ir (110) pikai, rodantys polikristališkumą. Šis orientacijų maišymasis anksčiau buvo aprašytas Si(110), nors kai kuriuose tyrimuose buvo pastebėtas tik (111) orientacijos 3C-SiC, o tai rodo, kad augimo sąlygų optimizavimas yra labai svarbus. Kai Millerio indeksai ≥5 ((510), (553), (995)), standartinėje θ-2θ konfigūracijoje XRD smailių neaptikta, nes šios didelio indekso plokštumos šioje geometrijoje nedifrakcinės. Mažo indekso 3C-SiC smailių nebuvimas (pvz., (111), (200)) rodo monokristalinį augimą, todėl norint aptikti difrakciją iš mažo indekso plokštumų, reikia pakreipti mėginį.
2 paveiksle parodytas plokštumos kampo CFC kristalinės struktūros viduje apskaičiavimas.
Apskaičiuoti kristalografiniai kampai tarp didelio ir mažo indekso plokštumų (2 lentelė) parodė didelius iškraipymus (>10°), paaiškinančius jų nebuvimą standartiniuose θ-2θ skenavimuose. Todėl polių figūrų analizė buvo atlikta su (995) orientuotu mėginiu dėl jo neįprastos granuliuotos morfologijos (galbūt dėl stulpelinio augimo arba dvynukų susidarymo) ir mažo šiurkštumo. (111) polių figūros (3 pav.) iš Si substrato ir 3C-SiC sluoksnio buvo beveik identiškos, patvirtinančios epitaksinį augimą be dvynukų susidarymo. Centrinė dėmė atsirado ties χ≈15°, atitinkanti teorinį (111)-(995) kampą. Trys simetrijos ekvivalento dėmės atsirado numatytose pozicijose (χ = 56,2° / φ = 269,4°, χ = 79° / φ = 146,7° ir 33,6°), nors nenumatyta silpna vieta ties χ = 62° / φ = 93,3° reikalauja tolesnio tyrimo. Kristalinė kokybė, įvertinta pagal taško plotį φ-skenavimuose, atrodo daug žadanti, nors kiekybiniam įvertinimui reikalingi siūbavimo kreivės matavimai. (510) ir (553) mėginių polių skaičiai dar turi būti užbaigti, kad būtų patvirtintas jų numatomas epitaksinis pobūdis.
3 paveiksle parodyta (995) orientuoto mėginio XRD smailių diagrama, kurioje matomos Si substrato (a) ir 3C-SiC sluoksnio (b) (111) plokštumos.
4. Išvada
Heteroepitaksinis 3C-SiC augimas pavyko daugumoje Si orientacijų, išskyrus (110), kurioje gauta polikristalinė medžiaga. Si(100)2° nuolydžio ir (995) substratai davė lygiausius sluoksnius (RMS <1 nm), o (111), (211) ir (553) substratai parodė didelį išlinkimą (30–60 μm). Didelio indekso substratams reikalingas išsamus XRD apibūdinimas (pvz., polių figūros), kad būtų patvirtinta epitaksija dėl θ-2θ smailių nebuvimo. Tęsiami darbai apima siūbavimo kreivės matavimus, Ramano įtempių analizę ir išplėtimą iki papildomų didelio indekso orientacijų, siekiant užbaigti šį tiriamąjį tyrimą.
Būdama vertikaliai integruota gamintoja, „XKH“ teikia profesionalias, individualiai pritaikytas apdorojimo paslaugas, siūlydama platų silicio karbido substratų asortimentą, siūlydama standartinius ir specializuotus tipus, įskaitant 4H/6H-N, 4H-Semi, 4H/6H-P ir 3C-SiC, kurių skersmuo yra nuo 2 iki 12 colių. Mūsų išsami kristalų auginimo, tikslaus apdirbimo ir kokybės užtikrinimo patirtis užtikrina individualiai pritaikytus sprendimus galios elektronikai, radijo dažnių sričiai ir naujoms reikmėms.
Įrašo laikas: 2025 m. rugpjūčio 8 d.