1. Вступ
Незважаючи на десятиліття досліджень, гетероепітаксіальний 3C-SiC, вирощений на кремнієвих підкладках, ще не досяг достатньої кристалічної якості для промислового застосування в електроніці. Вирощування зазвичай здійснюється на підкладках Si(100) або Si(111), кожна з яких має свої особливості: антифазні домени для (100) та розтріскування для (111). Хоча плівки з орієнтацією [111] демонструють багатообіцяючі характеристики, такі як знижена щільність дефектів, покращена морфологія поверхні та нижча напруга, альтернативні орієнтації, такі як (110) та (211), залишаються недостатньо вивченими. Існуючі дані свідчать про те, що оптимальні умови росту можуть бути специфічними для орієнтації, що ускладнює систематичні дослідження. Примітно, що використання підкладок Si з вищим індексом Міллера (наприклад, (311), (510)) для гетероепітаксії 3C-SiC ніколи не повідомлялося, що залишає значний простір для дослідницьких досліджень механізмів росту, залежних від орієнтації.
2. Експериментальний
Шари 3C-SiC були нанесені методом хімічного осадження з парової фази (CVD) при атмосферному тиску з використанням газів-попередників SiH4/C3H8/H2. Підкладками були кремнієві пластини площею 1 см² з різною орієнтацією: (100), (111), (110), (211), (311), (331), (510), (553) та (995). Всі підкладки були розташовані на осі, окрім (100), де додатково були протестовані пластини з відрізами 2°. Попереднє очищення включало ультразвукове знежирення в метанолі. Протокол вирощування включав видалення природного оксиду шляхом відпалу H2 при 1000°C, а потім стандартний двостадійний процес: цементація протягом 10 хвилин при 1165°C з використанням 12 нм³/см³ C3H8, потім епітаксія протягом 60 хвилин при 1350°C (співвідношення C/Si = 4) з використанням 1,5 нм³/см³ SiH4 та 2 нм³/см³ C3H8. Кожен цикл вирощування включав від чотирьох до п'яти різних орієнтацій Si, принаймні з однією (100) еталонною пластиною.
3. Результати та обговорення
Морфологія шарів 3C-SiC, вирощених на різних кремнієвих підкладках (рис. 1), показала чіткі особливості поверхні та шорсткість. Візуально зразки, вирощені на Si(100), (211), (311), (553) та (995), виглядали дзеркально схожими, тоді як інші варіювалися від молочного ((331), (510)) до матового ((110), (111)). Найгладші поверхні (з найтоншою мікроструктурою) були отримані на підкладках (100)2° off та (995). Примітно, що всі шари залишалися без тріщин після охолодження, включаючи типово схильний до напружень 3C-SiC(111). Обмежений розмір зразка, можливо, запобіг розтріскуванню, хоча деякі зразки демонстрували вигин (відхилення 30-60 мкм від центру до краю), який можна було виявити під оптичною мікроскопією при збільшенні 1000× через накопичене термічне напруження. Сильно вигнуті шари, вирощені на підкладках Si(111), (211) та (553), мали увігнуті форми, що свідчить про деформацію розтягу, що вимагає подальших експериментальних та теоретичних досліджень для кореляції з кристалографічною орієнтацією.
На рисунку 1 підсумовано результати рентгенівської дифракції (XRD) та АСМ (сканування з роздільною здатністю 20×20 мкм2) шарів 3C-SC, вирощених на кремнієвих підкладках з різною орієнтацією.
Зображення, отримані за допомогою атомно-силової мікроскопії (АСМ) (рис. 2), підтвердили оптичні спостереження. Середньоквадратичні (RMS) значення підтвердили найгладші поверхні на підкладках з орієнтацією (100)2° та орієнтацією (995), що характеризуються зернистими структурами з поперечними розмірами 400-800 нм. Шар, вирощений за орієнтацією (110), був найшорсткішим, тоді як в інших орієнтаціях ((331), (510) з'являлися витягнуті та/або паралельні особливості з випадковими різкими межами). Рентгенівська дифракція (XRD) θ-2θ-сканування (підсумовані в таблиці 1) показала успішну гетероепітаксію для підкладок з нижчим індексом Міллера, за винятком Si(110), який показав змішані піки 3C-SiC(111) та (110), що вказують на полікристалічність. Таке змішування орієнтацій було раніше описано для Si(110), хоча в деяких дослідженнях спостерігався виключно 3C-SiC, орієнтований за орієнтацією (111), що свідчить про критичну важливість оптимізації умов росту. Для індексів Міллера ≥5 ((510), (553), (995)) піки XRD у стандартній конфігурації θ-2θ не були виявлені, оскільки ці площини з високим індексом дифракції не дифрактують у цій геометрії. Відсутність піків 3C-SiC з низьким індексом дифракції (наприклад, (111), (200)) свідчить про монокристалічний ріст, що вимагає нахилу зразка для виявлення дифракції від площин з низьким індексом дифракції.
На рисунку 2 показано розрахунок кута площини в кристалічній структурі CFC.
Розраховані кристалографічні кути між площинами з високим та низьким індексом преломлення (Таблиця 2) показали значні розорієнтації (>10°), що пояснює їх відсутність у стандартних θ-2θ скануваннях. Тому аналіз полюсних фігур був проведений на зразку з орієнтацією (995) через його незвичайну зернисту морфологію (можливо, внаслідок стовпчастого росту або двійниковування) та низьку шорсткість. Полюсні фігури (111) (Рис. 3) з кремнієвої підкладки та шару 3C-SiC були майже ідентичними, що підтверджує епітаксійний ріст без двійниковування. Центральна пляма з'явилася при χ≈15°, що відповідає теоретичному куту (111)-(995). Три симетрично-еквівалентні плями з'явилися в очікуваних положеннях (χ=56,2°/φ=269,4°, χ=79°/φ=146,7° та 33,6°), хоча непередбачена слабка пляма при χ=62°/φ=93,3° потребує подальшого дослідження. Якість кристалічної структури, оцінена за шириною плями на φ-сканах, виглядає багатообіцяючою, хоча для кількісної оцінки необхідні вимірювання кривої гойдання. Полюсні фігури для зразків (510) та (553) ще потребують завершення для підтвердження їхньої передбачуваної епітаксіальної природи.
На рисунку 3 показано діаграму піків XRD, отриману на зразку з орієнтацією (995), яка відображає площини (111) кремнієвої підкладки (a) та шару 3C-SiC (b).
4. Висновок
Гетероепітаксіальне зростання 3C-SiC було успішним на більшості орієнтацій Si, окрім (110), яка дала полікристалічний матеріал. Підкладки Si(100)2° off та (995) створили найгладші шари (RMS <1 нм), тоді як (111), (211) та (553) показали значне викривлення (30-60 мкм). Підкладки з високим індексом преломлення потребують розширеної рентгенівської дифракційної характеристики (наприклад, полюсні фігури) для підтвердження епітаксії через відсутність піків θ-2θ. Поточна робота включає вимірювання кривої гойдання, аналіз напружень Рамана та розширення до додаткових орієнтацій з високим індексом преломлення для завершення цього дослідницького дослідження.
Як вертикально інтегрований виробник, XKH надає професійні послуги з індивідуальної обробки з повним портфоліо карбід-кремнієвих підкладок, пропонуючи стандартні та спеціалізовані типи, включаючи 4H/6H-N, 4H-Semi, 4H/6H-P та 3C-SiC, доступні в діаметрах від 2 до 12 дюймів. Наш комплексний досвід у вирощуванні кристалів, прецизійній обробці та забезпеченні якості гарантує індивідуальні рішення для силової електроніки, радіочастотних систем та нових застосувань.
Час публікації: 08 серпня 2025 р.