1. Ievads
Neskatoties uz gadu desmitiem ilgiem pētījumiem, uz silīcija substrātiem audzēts heteroepitaksiāls 3C-SiC vēl nav sasniedzis pietiekamu kristāla kvalitāti rūpnieciskai elektronikai. Audzēšanu parasti veic uz Si(100) vai Si(111) substrātiem, katram no tiem ir atšķirīgas problēmas: antifāzes domēni (100) un plaisāšana (111) substrātam. Lai gan [111] orientētām plēvēm ir daudzsološas īpašības, piemēram, samazināts defektu blīvums, uzlabota virsmas morfoloģija un zemāks spriegums, alternatīvās orientācijas, piemēram, (110) un (211), joprojām nav pietiekami pētītas. Esošie dati liecina, ka optimālie augšanas apstākļi var būt orientācijas specifiski, kas sarežģī sistemātiskus pētījumus. Jāatzīmē, ka nekad nav ziņots par augstāka Millera indeksa Si substrātu (piemēram, (311), (510)) izmantošanu 3C-SiC heteroepitaksijai, atstājot ievērojamas iespējas pētījumiem par no orientācijas atkarīgiem augšanas mehānismiem.
2. Eksperimentāls
3C-SiC slāņi tika uzklāti, izmantojot atmosfēras spiediena ķīmisko tvaiku pārklāšanu (CVD), izmantojot SiH4/C3H8/H2 prekursoru gāzes. Substrāti bija 1 cm² Si plāksnes ar dažādām orientācijām: (100), (111), (110), (211), (311), (331), (510), (553) un (995). Visi substrāti bija uz ass, izņemot (100), kur papildus tika testētas 2° leņķī atgrieztas plāksnes. Pirms audzēšanas tīrīšana ietvēra ultraskaņas attaukošanu metanolā. Augšanas protokols ietvēra dabīgā oksīda noņemšanu, izmantojot H2 atkvēlināšanu 1000°C temperatūrā, kam sekoja standarta divpakāpju process: cementēšana 10 minūtes 1165°C temperatūrā ar 12 sccm C3H8, pēc tam epitaksija 60 minūtes 1350°C temperatūrā (C/Si attiecība = 4), izmantojot 1,5 sccm SiH4 un 2 sccm C3H8. Katrā augšanas ciklā bija iekļautas četras līdz piecas dažādas Si orientācijas ar vismaz vienu (100) atsauces vafeļu.
3. Rezultāti un apspriešana
Uz dažādiem Si substrātiem audzētu 3C-SiC slāņu morfoloģija (1. att.) uzrādīja atšķirīgas virsmas īpašības un raupjumu. Vizuāli paraugi, kas audzēti uz Si(100), (211), (311), (553) un (995), izskatījās spoguļveidīgi, savukārt citi bija no pienaina ((331), (510)) līdz matētai ((110), (111)). Visgludākās virsmas (uzrādot vissmalkāko mikrostruktūru) tika iegūtas uz (100)2° un (995) substrātiem. Ievērības cienīgi, ka pēc atdzesēšanas visi slāņi palika bez plaisām, tostarp tipiski spriegumam pakļautais 3C-SiC(111). Ierobežotais parauga izmērs, iespējams, novērsa plaisāšanu, lai gan dažiem paraugiem bija novērojama izliekšanās (30–60 μm novirze no centra līdz malai), ko varēja noteikt optiskajā mikroskopijā 1000× palielinājumā uzkrātā termiskā sprieguma dēļ. Uz Si(111), (211) un (553) substrātiem audzētiem ļoti izliektiem slāņiem bija ieliektas formas, kas norāda uz stiepes deformāciju, kam nepieciešams turpmāks eksperimentāls un teorētisks darbs, lai korelētu ar kristalogrāfisko orientāciju.
1. attēlā ir apkopoti uz Si substrātiem ar dažādu orientāciju audzētu 3C-SC slāņu XRD un AFM (skenēšana ar 20 × 20 μ m2) rezultāti.
Atomu spēka mikroskopijas (AFM) attēli (2. att.) apstiprināja optiskos novērojumus. Vidējās kvadrātiskās vērtības (RMS) apstiprināja visgludākās virsmas uz (100)2° un (995) substrātiem, kam raksturīgas graudainas struktūras ar 400–800 nm sānu izmēriem. Ar (110) audzētais slānis bija visraupjākais, savukārt citās orientācijās parādījās pagarinātas un/vai paralēlas iezīmes ar neregulārām asām robežām ((331), (510)). Rentgenstaru difrakcijas (XRD) θ-2θ skenējumi (apkopoti 1. tabulā) atklāja veiksmīgu heteroepitaksiju substrātiem ar zemāku Millera indeksu, izņemot Si(110), kam bija jaukti 3C-SiC(111) un (110) pīķi, kas norāda uz polikristāliskumu. Šī orientācijas sajaukšanās jau iepriekš ir ziņota Si(110), lai gan dažos pētījumos tika novērota tikai (111) orientēta 3C-SiC, kas liecina, ka augšanas apstākļu optimizācija ir kritiski svarīga. Millera indeksiem ≥5 ((510), (553), (995)) standarta θ-2θ konfigurācijā netika konstatēti XRD pīķi, jo šīs augsta indeksa plaknes šajā ģeometrijā nedifrakcē. Zema indeksa 3C-SiC pīķu neesamība (piemēram, (111), (200)) liecina par monokristālisku augšanu, kam nepieciešama parauga slīpšana, lai noteiktu difrakciju no zema indeksa plaknēm.
2. attēlā parādīts plaknes leņķa aprēķins CFC kristāla struktūrā.
Aprēķinātie kristalogrāfiskie leņķi starp augsta indeksa un zema indeksa plaknēm (2. tabula) uzrādīja lielas dezorientācijas (>10°), kas izskaidro to neesamību standarta θ-2θ skenējumos. Tāpēc polu figūru analīze tika veikta (995) orientētam paraugam tā neparastās granulārās morfoloģijas (iespējams, kolonnveida augšanas vai sadvīņuma) un zemā raupjuma dēļ. Si substrāta un 3C-SiC slāņa (111) polu figūras (3. att.) bija gandrīz identiskas, apstiprinot epitaksiālo augšanu bez sadvīņuma. Centrālais punkts parādījās pie χ≈15°, kas atbilst teorētiskajam (111)-(995) leņķim. Trīs simetrijas ekvivalenti punkti parādījās paredzētajās pozīcijās (χ=56,2°/φ=269,4°, χ=79°/φ=146,7° un 33,6°), lai gan neparedzēts vājais punkts pie χ=62°/φ=93,3° prasa turpmāku izpēti. Kristāliskā kvalitāte, kas novērtēta pēc plankuma platuma φ-skenējumos, šķiet daudzsološa, lai gan kvantitatīvai noteikšanai ir nepieciešami šūpošanās līknes mērījumi. (510) un (553) paraugu polu attēli vēl jāpabeidz, lai apstiprinātu to iespējamo epitaksiālo raksturu.
3. attēlā redzama (995) orientētā parauga XRD pīķu diagramma, kurā redzamas Si substrāta (a) un 3C-SiC slāņa (b) (111) plaknes.
4. Secinājums
Heteroepitaksiāla 3C-SiC augšana bija veiksmīga lielākajā daļā Si orientāciju, izņemot (110), kurā tika iegūts polikristālisks materiāls. Si(100)2° nobīde un (995) substrāti veidoja visgludākos slāņus (RMS <1 nm), savukārt (111), (211) un (553) uzrādīja ievērojamu izliekumu (30–60 μm). Augsta indeksa substrātiem ir nepieciešama padziļināta XRD raksturošana (piemēram, polu attēli), lai apstiprinātu epitaksiju θ-2θ pīķu neesamības dēļ. Pašreizējais darbs ietver šūpošanās līknes mērījumus, Ramana sprieguma analīzi un paplašināšanu uz papildu augsta indeksa orientācijām, lai pabeigtu šo izpētes pētījumu.
Kā vertikāli integrēts ražotājs, XKH nodrošina profesionālus, pielāgotus apstrādes pakalpojumus ar plašu silīcija karbīda substrātu portfeli, piedāvājot standarta un specializētus veidus, tostarp 4H/6H-N, 4H-Semi, 4H/6H-P un 3C-SiC, kas pieejami diametrā no 2 collām līdz 12 collām. Mūsu visaptverošā pieredze kristālu audzēšanā, precīzā apstrādē un kvalitātes nodrošināšanā nodrošina pielāgotus risinājumus jaudas elektronikai, radiofrekvenču (RF) un jaunām lietojumprogrammām.
Publicēšanas laiks: 2025. gada 8. augusts