1. Въведение
Въпреки десетилетията изследвания, хетероепитаксиалният 3C-SiC, отглеждан върху силициеви подложки, все още не е постигнал достатъчно кристално качество за индустриални електронни приложения. Растежът обикновено се извършва върху Si(100) или Si(111) подложки, като всяка от тях представлява различни предизвикателства: антифазни домени за (100) и напукване за (111). Докато филмите, ориентирани по [111], показват обещаващи характеристики като намалена плътност на дефектите, подобрена морфология на повърхността и по-ниско напрежение, алтернативни ориентации като (110) и (211) остават недостатъчно проучени. Съществуващите данни показват, че оптималните условия на растеж може да са специфични за ориентацията, което усложнява систематичното изследване. Важно е да се отбележи, че използването на Si подложки с по-висок индекс на Милър (напр. (311), (510)) за 3C-SiC хетероепитаксия никога не е било докладвано, което оставя значително място за проучвателни изследвания върху зависими от ориентацията механизми на растеж.
2. Експериментално
3C-SiC слоевете бяха отложени чрез химическо отлагане от пари (CVD) при атмосферно налягане, използвайки SiH4/C3H8/H2 прекурсорни газове. Субстратите бяха 1 cm² Si пластини с различна ориентация: (100), (111), (110), (211), (311), (331), (510), (553) и (995). Всички субстрати бяха по оста, с изключение на (100), където допълнително бяха тествани 2° отрязани пластини. Почистването преди растеж включваше ултразвуково обезмасляване в метанол. Протоколът за растеж включваше отстраняване на естествения оксид чрез отгряване с H2 при 1000°C, последвано от стандартен двуетапен процес: карбуризация за 10 минути при 1165°C с 12 sccm C3H8, след това епитаксия за 60 минути при 1350°C (съотношение C/Si = 4), използвайки 1.5 sccm SiH4 и 2 sccm C3H8. Всеки цикъл на растеж включваше от четири до пет различни Si ориентации, с поне една (100) референтна пластина.
3. Резултати и дискусия
Морфологията на 3C-SiC слоеве, отгледани върху различни Si подложки (фиг. 1), показва отчетливи повърхностни характеристики и грапавост. Визуално, пробите, отгледани върху Si(100), (211), (311), (553) и (995), изглеждат огледални, докато други варират от млечнобял ((331), (510)) до матов ((110), (111)). Най-гладките повърхности (показващи най-фина микроструктура) са получени върху подложки (100)2° off и (995). Забележително е, че всички слоеве остават без пукнатини след охлаждане, включително типично склонния към напрежение 3C-SiC(111). Ограниченият размер на пробата може да е предотвратил напукване, въпреки че някои проби показват извиване (30-60 μm отклонение от центъра до ръба), откриваемо под оптична микроскопия при 1000× увеличение, поради натрупано термично напрежение. Силно извити слоеве, отгледани върху Si(111), (211) и (553) подложки, показват вдлъбнати форми, показващи опънно напрежение, което изисква по-нататъшна експериментална и теоретична работа, за да се съпостави с кристалографската ориентация.
Фигура 1 обобщава резултатите от XRD и AFM (сканиране при 20×20 μ m2) на 3C-SC слоеве, отгледани върху Si подложки с различна ориентация.
Изображенията от атомно-силова микроскопия (АСМ) (фиг. 2) потвърдиха оптичните наблюдения. Стойностите на средноквадратичната стойност (RMS) потвърдиха най-гладките повърхности върху субстрати с (100)2° отклонение и (995), характеризиращи се със зърнестоподобни структури с странични размери 400-800 nm. Слоят, отгледан в (110), беше най-грапав, докато удължени и/или успоредни характеристики с понякога остри граници се появиха при други ориентации ((331), (510)). Рентгеноструктурните (XRD) θ-2θ сканирания (обобщени в Таблица 1) разкриха успешна хетероепитаксия за субстрати с нисък индекс на Милър, с изключение на Si(110), който показа смесени пикове 3C-SiC(111) и (110), показващи поликристалност. Това смесване на ориентации е било докладвано преди това за Si(110), въпреки че някои проучвания наблюдават изключително (111)-ориентиран 3C-SiC, което предполага, че оптимизирането на условията на растеж е от решаващо значение. За индекси на Милър ≥5 ((510), (553), (995)), не бяха открити XRD пикове в стандартна θ-2θ конфигурация, тъй като тези равнини с висок индекс не дифрактират в тази геометрия. Липсата на нискоиндексни 3C-SiC пикове (напр. (111), (200)) предполага монокристален растеж, изискващ накланяне на пробата, за да се открие дифракция от нискоиндексни равнини.
Фигура 2 показва изчислението на ъгъла на равнината в кристалната структура на CFC.
Изчислените кристалографски ъгли между равнините с висок и нисък индекс (Таблица 2) показват големи дезориентации (>10°), което обяснява липсата им в стандартните θ-2θ сканирания. Поради това е проведен анализ на полюсните фигури върху пробата с ориентация (995), поради нейната необичайна гранулирана морфология (потенциално от колонен растеж или сдвояване) и ниска грапавост. Полюсните фигури (111) (Фиг. 3) от Si субстрата и 3C-SiC слоя са почти идентични, което потвърждава епитаксиален растеж без сдвояване. Централното петно се появява при χ≈15°, съответствайки на теоретичния ъгъл (111)-(995). Три симетрично еквивалентни петна се появяват на очакваните позиции (χ=56.2°/φ=269.4°, χ=79°/φ=146.7° и 33.6°), въпреки че непредвидено слабо петно при χ=62°/φ=93.3° изисква допълнително проучване. Кристалното качество, оценено чрез ширината на петното при φ-сканиране, изглежда обещаващо, въпреки че за количествено определяне са необходими измервания на кривата на люлеене. Полюсните фигури за пробите (510) и (553) все още не са завършени, за да се потвърди предполагаемият им епитаксиален характер.
Фигура 3 показва XRD диаграмата на пиковете, записана върху пробата с ориентация (995), която показва равнините (111) на Si субстрата (a) и 3C-SiC слоя (b).
4. Заключение
Хетероепитаксиалният 3C-SiC растеж е успешен при повечето Si ориентации, с изключение на (110), която дава поликристален материал. Si(100)2° off и (995) субстратите произвеждат най-гладките слоеве (RMS <1 nm), докато (111), (211) и (553) показват значително извиване (30-60 μm). Субстратите с висок индекс изискват разширена рентгенова дифракционна характеристика (напр. полюсни фигури), за да се потвърди епитаксията поради липса на θ-2θ пикове. Текущата работа включва измервания на кривата на люлеене, анализ на Рамановото напрежение и разширяване до допълнителни ориентации с висок индекс, за да се завърши това проучвателно проучване.
Като вертикално интегриран производител, XKH предоставя професионални персонализирани услуги за обработка с богато портфолио от силициево-карбидни субстрати, предлагайки стандартни и специализирани видове, включително 4H/6H-N, 4H-Semi, 4H/6H-P и 3C-SiC, налични в диаметри от 2 инча до 12 инча. Нашият цялостен опит в растежа на кристали, прецизната машинна обработка и осигуряването на качеството гарантира персонализирани решения за силова електроника, радиочестотна струя и нововъзникващи приложения.
Време на публикуване: 08.08.2025 г.