1. Wprowadzenie
Pomimo dziesięcioleci badań, heteroepitaksjalny 3C-SiC hodowany na podłożach krzemowych nie osiągnął jeszcze wystarczającej jakości kryształu do zastosowań w elektronice przemysłowej. Wzrost zazwyczaj przeprowadza się na podłożach Si(100) lub Si(111), z których każde przedstawia odrębne wyzwania: domeny antyfazowe dla (100) i pękanie dla (111). Podczas gdy warstwy zorientowane zgodnie z [111] wykazują obiecujące właściwości, takie jak zmniejszona gęstość defektów, ulepszona morfologia powierzchni i niższe naprężenia, alternatywne orientacje, takie jak (110) i (211), pozostają niedostatecznie zbadane. Istniejące dane sugerują, że optymalne warunki wzrostu mogą być specyficzne dla orientacji, co komplikuje systematyczne badania. Co godne uwagi, nigdy nie opisano zastosowania podłoży Si o wyższym indeksie Millera (np. (311), (510)) do heteroepitaksji 3C-SiC, co pozostawia znaczne pole do badań eksploracyjnych nad mechanizmami wzrostu zależnymi od orientacji.
2. Eksperymentalny
Warstwy 3C-SiC naniesiono metodą chemicznego osadzania z fazy gazowej (CVD) pod ciśnieniem atmosferycznym z użyciem gazów prekursorowych SiH4/C3H8/H2. Podłożami były płytki krzemowe o powierzchni 1 cm² o różnych orientacjach: (100), (111), (110), (211), (311), (331), (510), (553) i (995). Wszystkie podłoża były na osi, z wyjątkiem (100), gdzie dodatkowo testowano płytki odcięte pod kątem 2°. Czyszczenie wstępne polegało na odtłuszczaniu ultradźwiękowym w metanolu. Protokół wzrostu obejmował usuwanie tlenku rodzimego poprzez wyżarzanie w atmosferze wodoru (H2) w temperaturze 1000°C, a następnie standardowy dwuetapowy proces: nawęglanie przez 10 minut w temperaturze 1165°C z 12 sccm C3H8, a następnie epitaksję przez 60 minut w temperaturze 1350°C (stosunek C/Si = 4) z użyciem 1,5 sccm SiH4 i 2 sccm C3H8. Każdy cykl wzrostu obejmował cztery do pięciu różnych orientacji Si, z co najmniej jednym (100) waflem referencyjnym.
3. Wyniki i dyskusja
Morfologia warstw 3C-SiC wyhodowanych na różnych podłożach krzemowych (rys. 1) wykazała wyraźne cechy powierzchni i chropowatość. Wizualnie próbki wyhodowane na podłożach Si(100), (211), (311), (553) i (995) miały lustrzany wygląd, podczas gdy inne miały barwę od mlecznej ((331), (510)) do matowej ((110), (111)). Najgładsze powierzchnie (o najdrobniejszej mikrostrukturze) uzyskano na podłożach (100)2° i (995). Co godne uwagi, wszystkie warstwy pozostały bez pęknięć po schłodzeniu, w tym typowo podatny na naprężenia 3C-SiC(111). Ograniczona wielkość próbki mogła zapobiec pęknięciom, chociaż niektóre próbki wykazywały wygięcie (30-60 μm odchylenia od środka do krawędzi) wykrywalne pod mikroskopem optycznym przy powiększeniu 1000x z powodu skumulowanego naprężenia termicznego. Warstwy silnie wygięte wytworzone na podłożach Si(111), (211) i (553) miały wklęsłe kształty, co wskazuje na odkształcenie rozciągające, co wymaga dalszych prac eksperymentalnych i teoretycznych w celu skorelowania ich z orientacją krystalograficzną.
Na rysunku 1 podsumowano wyniki XRD i AFM (skanowanie przy 20×20 μm2) warstw 3C-SC wyhodowanych na podłożach krzemowych o różnych orientacjach.
Obrazy uzyskane za pomocą mikroskopii sił atomowych (AFM) (ryc. 2) potwierdziły obserwacje optyczne. Wartości średniej kwadratowej (RMS) potwierdziły najgładsze powierzchnie na podłożach (100)2° i (995), charakteryzujące się strukturami ziarnistymi o wymiarach bocznych 400–800 nm. Warstwa wyhodowana metodą (110) była najbardziej szorstka, natomiast wydłużone i/lub równoległe struktury z okazjonalnymi ostrymi granicami pojawiły się w innych orientacjach ((331), (510)). Skanowanie dyfrakcji rentgenowskiej (XRD) θ-2θ (podsumowane w tabeli 1) wykazało udaną heteroepitaksję dla podłoży o niższym indeksie Millera, z wyjątkiem Si(110), dla którego wykryto mieszane piki 3C-SiC(111) i (110), wskazujące na polikrystaliczność. Mieszanie orientacji było już wcześniej zgłaszane dla Si(110), chociaż w niektórych badaniach zaobserwowano wyłączną orientację (111) 3C-SiC, co sugeruje, że optymalizacja warunków wzrostu ma kluczowe znaczenie. Dla wskaźników Millera ≥5 ((510), (553), (995)) nie wykryto pików XRD w standardowej konfiguracji θ-2θ, ponieważ te płaszczyzny o wysokim indeksie nie ulegają dyfrakcji w tej geometrii. Brak pików 3C-SiC o niskim indeksie (np. (111), (200)) sugeruje wzrost monokrystaliczny, co wymaga pochylenia próbki w celu wykrycia dyfrakcji z płaszczyzn o niskim indeksie.
Rysunek 2 przedstawia obliczenie kąta płaskiego w strukturze krystalicznej CFC.
Obliczone kąty krystalograficzne między płaszczyznami o wysokim i niskim indeksie (tabela 2) wykazały duże dezorientacje (>10°), co wyjaśnia ich brak w standardowych skanach θ-2θ. W związku z tym przeprowadzono analizę figur biegunowych na próbce zorientowanej (995) ze względu na jej nietypową morfologię ziarnistą (potencjalnie wynikającą ze wzrostu kolumnowego lub zbliźniaczenia) i niską chropowatość. Figury biegunowe (111) (rys. 3) z podłoża Si i warstwy 3C-SiC były niemal identyczne, co potwierdza wzrost epitaksjalny bez zbliźniaczenia. Plama centralna pojawiła się pod kątem χ≈15°, co odpowiada teoretycznemu kątowi (111)-(995). Trzy plamy o równoważnej symetrii pojawiły się w oczekiwanych pozycjach (χ = 56,2°/φ = 269,4°, χ = 79°/φ = 146,7° i 33,6°), choć nieprzewidziana słaba plama przy χ = 62°/φ = 93,3° wymaga dalszych badań. Jakość krystaliczna, oceniana na podstawie szerokości plamy w skanach φ, wydaje się obiecująca, choć do kwantyfikacji potrzebne są pomiary krzywej kołysania. Figury biegunowe dla próbek (510) i (553) wymagają jeszcze uzupełnienia, aby potwierdzić ich przypuszczalną naturę epitaksjalną.
Rysunek 3 przedstawia diagram szczytowy XRD zarejestrowany na próbce zorientowanej w kierunku (995), który przedstawia płaszczyzny (111) podłoża Si (a) i warstwy 3C-SiC (b).
4. Wnioski
Heteroepitaksjalny wzrost 3C-SiC zakończył się sukcesem w przypadku większości orientacji Si, z wyjątkiem (110), która dała materiał polikrystaliczny. Podłoża Si(100)2° off i (995) wytworzyły najgładsze warstwy (RMS <1 nm), natomiast (111), (211) i (553) wykazały znaczne wybrzuszenie (30–60 μm). Podłoża o wysokim współczynniku załamania wymagają zaawansowanej charakterystyki XRD (np. figur biegunowych) w celu potwierdzenia epitaksji ze względu na brak pików θ-2θ. Trwające prace obejmują pomiary krzywych odkształceń, analizę naprężeń Ramana oraz rozszerzenie o dodatkowe orientacje o wysokim współczynniku załamania, aby ukończyć to badanie eksploracyjne.
Jako producent zintegrowany pionowo, XKH oferuje profesjonalne, dostosowane do indywidualnych potrzeb usługi przetwarzania, oferując kompleksową gamę podłoży z węglika krzemu, w tym standardowe i specjalistyczne typy, w tym 4H/6H-N, 4H-Semi, 4H/6H-P i 3C-SiC, dostępne w średnicach od 2 do 12 cali. Nasze kompleksowe doświadczenie w zakresie hodowli kryształów, precyzyjnej obróbki i kontroli jakości gwarantuje rozwiązania szyte na miarę dla elektroniki mocy, układów RF i nowych zastosowań.
Czas publikacji: 08-08-2025