1. Bevezetés
Évtizedes kutatások ellenére a szilícium szubsztrátokon növesztett heteroepitaxiális 3C-SiC még nem érte el az ipari elektronikai alkalmazásokhoz szükséges kristályminőséget. A növesztést jellemzően Si(100) vagy Si(111) szubsztrátokon végzik, amelyek mindegyike eltérő kihívásokat jelent: antifázisú domének a (100) esetében és repedés a (111) esetében. Míg a [111] orientációjú filmek ígéretes tulajdonságokkal rendelkeznek, mint például a csökkent hibasűrűség, a jobb felületi morfológia és az alacsonyabb feszültség, az alternatív orientációk, mint például a (110) és a (211), továbbra sem kutatottak eléggé. A meglévő adatok arra utalnak, hogy az optimális növekedési feltételek orientáció-specifikusak lehetnek, ami megnehezíti a szisztematikus vizsgálatokat. Figyelemre méltó, hogy a magasabb Miller-indexű Si szubsztrátok (pl. (311), (510)) 3C-SiC heteroepitaxiához való alkalmazásáról még soha nem számoltak be, ami jelentős teret enged az orientációfüggő növekedési mechanizmusok feltáró kutatásának.
2. Kísérleti
A 3C-SiC rétegeket atmoszférikus nyomású kémiai gőzfázisú leválasztással (CVD) vittük fel SiH4/C3H8/H2 prekurzor gázok felhasználásával. Az aljzatok 1 cm²-es Si ostyák voltak különböző orientációkkal: (100), (111), (110), (211), (311), (331), (510), (553) és (995). Minden aljzat tengelyirányban volt elhelyezve, kivéve a (100)-at, ahol 2°-os levágott ostyákat is teszteltünk. A növesztés előtti tisztítás ultrahangos zsírtalanítást jelentett metanolban. A növesztési protokoll a natív oxid eltávolítását foglalta magában H2-es hőkezeléssel 1000°C-on, majd egy standard kétlépéses eljárást: 10 perces karbonizálás 1165°C-on 12 sccm C3H8-cal, majd epitaxiális kezelés 60 percig 1350°C-on (C/Si arány = 4) 1,5 sccm SiH4 és 2 sccm C3H8 felhasználásával. Minden növekedési futtatás négy-öt különböző Si-orientációt tartalmazott, legalább egy (100) referencia ostyával.
3. Eredmények és megbeszélés
A különböző Si-hordozókon növesztett 3C-SiC rétegek morfológiája (1. ábra) eltérő felületi jellemzőket és érdességet mutatott. Vizuálisan a Si(100), (211), (311), (553) és (995) hordozókon növesztett minták tükörsimaak voltak, míg mások a tejszerűtől ((331), (510)) a mattig ((110), (111)) terjedtek. A legsimább felületeket (a legfinomabb mikroszerkezetet mutatva) a (100)2°-os off és a (995) hordozókon kaptuk. Figyelemre méltó, hogy lehűlés után minden réteg repedésmentes maradt, beleértve a jellemzően feszültségre hajlamos 3C-SiC(111) réteget is. A korlátozott minta mérete megakadályozhatta a repedést, bár egyes minták a felhalmozódott hőfeszültség miatt 1000× nagyításban optikai mikroszkóppal kimutatható görbületet mutattak (30-60 μm-es elhajlás a középponttól a széléig). A Si(111), (211) és (553) hordozókon növesztett, erősen meghajlott rétegek konkáv alakot mutattak, ami szakítófeszültségre utal, további kísérleti és elméleti munkákat igényelve a kristálytani orientációval való összefüggés megállapításához.
Az 1. ábra összefoglalja a különböző orientációjú Si-hordozókra növesztett 3C-SC rétegek XRD és AFM (20×20 μ m2-es szkennelés) eredményeit.
Az atomerő-mikroszkópos (AFM) képek (2. ábra) alátámasztották az optikai megfigyeléseket. A négyzetes középérték (RMS) értékek a (100)2°-os eltolódású és a (995) szubsztrátokon igazolták a legsimább felületeket, amelyek 400-800 nm-es laterális méretű szemcseszerű szerkezeteket mutattak. A (110)-gyel növesztett réteg volt a legdurvább, míg más orientációkban megnyúlt és/vagy párhuzamos jellemzők jelentek meg, esetenként éles határokkal ((331), (510)). A röntgendiffrakciós (XRD) θ-2θ szkennelések (az 1. táblázatban összefoglalva) sikeres heteroepitaxiát mutattak az alacsonyabb Miller-indexű szubsztrátok esetében, kivéve a Si(110)-et, amely vegyes 3C-SiC(111) és (110) csúcsokat mutatott, ami polikristályosságot jelez. Ezt az orientációs keveredést korábban már leírták a Si(110) esetében, bár egyes tanulmányok kizárólag (111)-orientált 3C-SiC-t figyeltek meg, ami arra utal, hogy a növekedési feltételek optimalizálása kritikus fontosságú. ≥5 Miller-indexek ((510), (553), (995)) esetén nem detektáltunk XRD-csúcsokat a standard θ-2θ konfigurációban, mivel ezek a nagy indexű síkok nem diffrakciósak ebben a geometriában. Az alacsony indexű 3C-SiC csúcsok hiánya (pl. (111), (200)) egykristályos növekedésre utal, ami a minta megdöntését igényli az alacsony indexű síkokról történő diffrakció kimutatásához.
A 2. ábra a CFC kristályszerkezeten belüli síkszög kiszámítását mutatja.
A nagy és kis indexű síkok közötti számított kristálytani szögek (2. táblázat) nagyfokú orientációs eltéréseket mutattak (>10°), ami megmagyarázza ezek hiányát a standard θ-2θ vizsgálatokban. Ezért a (995) orientációjú mintán pólusalak-elemzést végeztek szokatlan szemcsés morfológiája (potenciálisan oszlopos növekedés vagy ikresedés következtében) és alacsony érdessége miatt. A Si szubsztrátról és a 3C-SiC rétegről származó (111) pólusalakok (3. ábra) közel azonosak voltak, megerősítve az ikresedés nélküli epitaxiális növekedést. A központi folt χ≈15°-nál jelent meg, ami megfelel az elméleti (111)-(995) szögnek. Három szimmetria-ekvivalens folt jelent meg a várt pozíciókban (χ=56,2°/φ=269,4°, χ=79°/φ=146,7° és 33,6°), bár egy előre nem látható gyenge folt χ=62°/φ=93,3°-nál további vizsgálatot igényel. A φ-szkennelések foltszélességével mért kristályos minőség ígéretesnek tűnik, bár a mennyiségi meghatározáshoz billegőgörbe-mérésekre van szükség. Az (510) és (553) minták pólusdiagramjai még elkészítés alatt állnak, hogy megerősítsék feltételezett epitaxiális jellegüket.
A 3. ábra a (995) orientációjú mintán rögzített XRD csúcsdiagramot mutatja, amely a Si szubsztrát (a) és a 3C-SiC réteg (b) (111) síkjait mutatja.
4. Következtetés
A heteroepitaxiális 3C-SiC növekedés a legtöbb Si orientáción sikeres volt, kivéve a (110)-et, amely polikristályos anyagot eredményezett. A Si(100)2° off és a (995) szubsztrátok eredményezték a legsimább rétegeket (RMS <1 nm), míg a (111), (211) és (553) jelentős görbülést mutattak (30-60 μm). A nagy indexű szubsztrátok fejlett XRD jellemzést igényelnek (pl. pólusábrák) az epitaxia megerősítéséhez a hiányzó θ-2θ csúcsok miatt. A folyamatban lévő munka magában foglalja a ringatási görbe méréseket, a Raman feszültséganalízist és a további nagy indexű orientációkra való kiterjesztést a feltáró tanulmány befejezéséhez.
Vertikálisan integrált gyártóként az XKH professzionális, testreszabott feldolgozási szolgáltatásokat nyújt szilícium-karbid szubsztrátok átfogó portfóliójával, standard és speciális típusokat kínálva, beleértve a 4H/6H-N, 4H-Semi, 4H/6H-P és 3C-SiC típusokat, 2 hüvelyktől 12 hüvelykig terjedő átmérőben. A kristálynövesztés, a precíziós megmunkálás és a minőségbiztosítás terén szerzett átfogó szakértelmünk személyre szabott megoldásokat biztosít a teljesítményelektronika, a rádiófrekvenciás (RF) és az újonnan megjelenő alkalmazások számára.
Közzététel ideje: 2025. augusztus 8.