1. Εισαγωγή
Παρά τις δεκαετίες έρευνας, το ετεροεπιταξιακό 3C-SiC που αναπτύσσεται σε υποστρώματα πυριτίου δεν έχει ακόμη επιτύχει επαρκή κρυσταλλική ποιότητα για βιομηχανικές ηλεκτρονικές εφαρμογές. Η ανάπτυξη συνήθως πραγματοποιείται σε υποστρώματα Si(100) ή Si(111), καθένα από τα οποία παρουσιάζει ξεχωριστές προκλήσεις: αντιφασικές περιοχές για το (100) και ρωγμές για το (111). Ενώ οι μεμβράνες με προσανατολισμό [111] παρουσιάζουν πολλά υποσχόμενα χαρακτηριστικά όπως μειωμένη πυκνότητα ελαττωμάτων, βελτιωμένη μορφολογία επιφάνειας και χαμηλότερη τάση, εναλλακτικοί προσανατολισμοί όπως οι (110) και (211) παραμένουν ανεπαρκώς μελετημένοι. Τα υπάρχοντα δεδομένα υποδηλώνουν ότι οι βέλτιστες συνθήκες ανάπτυξης μπορεί να είναι ειδικές για τον προσανατολισμό, περιπλέκοντας τη συστηματική έρευνα. Αξίζει να σημειωθεί ότι η χρήση υποστρωμάτων Si υψηλότερου δείκτη Miller (π.χ., (311), (510)) για ετεροεπιταξία 3C-SiC δεν έχει αναφερθεί ποτέ, αφήνοντας σημαντικό περιθώριο για διερευνητική έρευνα σχετικά με τους μηχανισμούς ανάπτυξης που εξαρτώνται από τον προσανατολισμό.
2. Πειραματικό
Τα στρώματα 3C-SiC εναποτέθηκαν μέσω χημικής εναπόθεσης ατμών σε ατμοσφαιρική πίεση (CVD) χρησιμοποιώντας πρόδρομα αέρια SiH4/C3H8/H2. Τα υποστρώματα ήταν πλακίδια Si 1 cm² με διάφορους προσανατολισμούς: (100), (111), (110), (211), (311), (331), (510), (553) και (995). Όλα τα υποστρώματα ήταν οριζόντια εκτός από το (100), όπου δοκιμάστηκαν επιπλέον πλακίδια με αποκοπή 2°. Ο καθαρισμός πριν από την ανάπτυξη περιελάμβανε υπερηχητική απολίπανση σε μεθανόλη. Το πρωτόκολλο ανάπτυξης περιελάμβανε απομάκρυνση φυσικού οξειδίου μέσω ανόπτησης H2 στους 1000°C, ακολουθούμενη από μια τυπική διαδικασία δύο σταδίων: ενανθράκωση για 10 λεπτά στους 1165°C με 12 sccm C3H8, στη συνέχεια επιταξία για 60 λεπτά στους 1350°C (λόγος C/Si = 4) χρησιμοποιώντας 1,5 sccm SiH4 και 2 sccm C3H8. Κάθε κύκλος ανάπτυξης περιελάμβανε τέσσερις έως πέντε διαφορετικούς προσανατολισμούς Si, με τουλάχιστον ένα (100) πλακίδιο αναφοράς.
3. Αποτελέσματα και Συζήτηση
Η μορφολογία των στρωμάτων 3C-SiC που αναπτύχθηκαν σε διάφορα υποστρώματα Si (Εικ. 1) έδειξε ξεχωριστά επιφανειακά χαρακτηριστικά και τραχύτητα. Οπτικά, τα δείγματα που αναπτύχθηκαν σε Si(100), (211), (311), (553) και (995) εμφανίστηκαν σαν καθρέφτες, ενώ άλλα κυμαίνονταν από γαλακτώδη ((331), (510)) έως θαμπά ((110), (111)). Οι πιο λείες επιφάνειες (που παρουσιάζουν την καλύτερη μικροδομή) ελήφθησαν σε υποστρώματα (100)2° off και (995). Αξιοσημείωτα, όλα τα στρώματα παρέμειναν χωρίς ρωγμές μετά την ψύξη, συμπεριλαμβανομένου του τυπικά επιρρεπούς σε καταπονήσεις 3C-SiC(111). Το περιορισμένο μέγεθος του δείγματος μπορεί να εμπόδισε τη δημιουργία ρωγμών, αν και ορισμένα δείγματα εμφάνισαν κάμψη (εκτροπή 30-60 μm από το κέντρο προς την άκρη) ανιχνεύσιμη υπό οπτική μικροσκοπία σε μεγέθυνση 1000× λόγω συσσωρευμένης θερμικής καταπόνησης. Τα στρώματα με έντονη καμπύλη που αναπτύχθηκαν σε υποστρώματα Si(111), (211) και (553) εμφάνισαν κοίλα σχήματα που υποδηλώνουν εφελκυστική παραμόρφωση, απαιτώντας περαιτέρω πειραματική και θεωρητική εργασία για συσχέτιση με τον κρυσταλλογραφικό προσανατολισμό.
Το Σχήμα 1 συνοψίζει τα αποτελέσματα XRD και AFM (σάρωση στα 20×20 μ m2) των στρωμάτων 3C-SC που αναπτύχθηκαν σε υποστρώματα Si με διαφορετικούς προσανατολισμούς.
Εικόνες μικροσκοπίας ατομικής δύναμης (AFM) (Εικ. 2) επιβεβαίωσαν τις οπτικές παρατηρήσεις. Οι τιμές της μέσης τετραγωνικής ρίζας (RMS) επιβεβαίωσαν τις ομαλότερες επιφάνειες σε υποστρώματα (100)2° μακριά και (995), με κοκκοειδείς δομές με πλευρικές διαστάσεις 400-800 nm. Το στρώμα που αναπτύχθηκε με (110) ήταν το πιο τραχύ, ενώ επιμήκη ή/και παράλληλα χαρακτηριστικά με περιστασιακά αιχμηρά όρια εμφανίστηκαν σε άλλους προσανατολισμούς ((331), (510)). Οι σαρώσεις θ-2θ με περίθλαση ακτίνων Χ (XRD) (συνοψίζονται στον Πίνακα 1) αποκάλυψαν επιτυχημένη ετεροεπιταξία για υποστρώματα με χαμηλότερο δείκτη Miller, εκτός από το Si(110) που έδειξε μικτές κορυφές 3C-SiC(111) και (110) που υποδηλώνουν πολυκρυσταλλικότητα. Αυτή η ανάμειξη προσανατολισμού έχει αναφερθεί προηγουμένως για το Si(110), αν και ορισμένες μελέτες παρατήρησαν αποκλειστικό 3C-SiC με προσανατολισμό (111), υποδηλώνοντας ότι η βελτιστοποίηση των συνθηκών ανάπτυξης είναι κρίσιμη. Για δείκτες Miller ≥5 ((510), (553), (995)), δεν ανιχνεύθηκαν κορυφές XRD στην τυπική διαμόρφωση θ-2θ, καθώς αυτά τα επίπεδα υψηλού δείκτη δεν παρουσιάζουν περίθλαση σε αυτή τη γεωμετρία. Η απουσία κορυφών 3C-SiC χαμηλού δείκτη (π.χ., (111), (200)) υποδηλώνει μονοκρυσταλλική ανάπτυξη, η οποία απαιτεί κλίση του δείγματος για την ανίχνευση περίθλασης από επίπεδα χαμηλού δείκτη.
Το Σχήμα 2 δείχνει τον υπολογισμό της γωνίας επιπέδου εντός της κρυσταλλικής δομής CFC.
Οι υπολογισμένες κρυσταλλογραφικές γωνίες μεταξύ των επιπέδων υψηλού και χαμηλού δείκτη (Πίνακας 2) έδειξαν μεγάλους λανθασμένους προσανατολισμούς (>10°), εξηγώντας την απουσία τους σε τυπικές σαρώσεις θ-2θ. Συνεπώς, διεξήχθη ανάλυση σχήματος πόλων στο δείγμα με προσανατολισμό (995) λόγω της ασυνήθιστης κοκκιώδους μορφολογίας του (πιθανώς από στηλοειδή ανάπτυξη ή διδυμοποίηση) και της χαμηλής τραχύτητας. Τα σχήματα πόλων (111) (Εικ. 3) από το υπόστρωμα Si και το στρώμα 3C-SiC ήταν σχεδόν πανομοιότυπα, επιβεβαιώνοντας την επιταξιακή ανάπτυξη χωρίς διδυμοποίηση. Η κεντρική κηλίδα εμφανίστηκε στις χ≈15°, ταιριάζοντας με τη θεωρητική γωνία (111)-(995). Τρεις κηλίδες ισοδύναμες με συμμετρία εμφανίστηκαν στις αναμενόμενες θέσεις (χ=56,2°/φ=269,4°, χ=79°/φ=146,7° και 33,6°), αν και ένα απρόβλεπτο αδύναμο σημείο στις χ=62°/φ=93,3° απαιτεί περαιτέρω διερεύνηση. Η κρυσταλλική ποιότητα, που αξιολογείται μέσω του πλάτους της κηλίδας σε φ-σαρώσεις, φαίνεται πολλά υποσχόμενη, αν και απαιτούνται μετρήσεις της καμπύλης ταλάντωσης για την ποσοτικοποίηση. Οι αριθμοί των πόλων για τα δείγματα (510) και (553) δεν έχουν ολοκληρωθεί ακόμη για να επιβεβαιωθεί η υποτιθέμενη επιταξιακή τους φύση.
Το Σχήμα 3 δείχνει το διάγραμμα κορυφής XRD που καταγράφηκε στο δείγμα με προσανατολισμό (995), το οποίο εμφανίζει τα επίπεδα (111) του υποστρώματος Si (α) και του στρώματος 3C-SiC (β).
4. Συμπέρασμα
Η ετεροεπιταξιακή ανάπτυξη 3C-SiC επιτεύχθηκε στους περισσότερους προσανατολισμούς Si εκτός από την (110), η οποία απέδωσε πολυκρυσταλλικό υλικό. Τα υποστρώματα Si(100)2° off και (995) παρήγαγαν τα πιο ομαλά στρώματα (RMS <1 nm), ενώ τα (111), (211) και (553) έδειξαν σημαντική κάμψη (30-60 μm). Τα υποστρώματα υψηλού δείκτη απαιτούν προηγμένο χαρακτηρισμό XRD (π.χ., σχήματα πόλων) για να επιβεβαιωθεί η επιταξία λόγω απουσίας κορυφών θ-2θ. Η συνεχιζόμενη εργασία περιλαμβάνει μετρήσεις καμπύλης ταλάντωσης, ανάλυση τάσης Raman και επέκταση σε πρόσθετους προσανατολισμούς υψηλού δείκτη για την ολοκλήρωση αυτής της διερευνητικής μελέτης.
Ως κάθετα ολοκληρωμένος κατασκευαστής, η XKH παρέχει επαγγελματικές, εξατομικευμένες υπηρεσίες επεξεργασίας με ένα ολοκληρωμένο χαρτοφυλάκιο υποστρωμάτων καρβιδίου του πυριτίου, προσφέροντας τυποποιημένους και εξειδικευμένους τύπους, όπως 4H/6H-N, 4H-Semi, 4H/6H-P και 3C-SiC, διαθέσιμα σε διαμέτρους από 2 έως 12 ίντσες. Η ολοκληρωμένη μας εμπειρία στην ανάπτυξη κρυστάλλων, την κατεργασία ακριβείας και τη διασφάλιση ποιότητας εξασφαλίζει εξατομικευμένες λύσεις για ηλεκτρονικά ισχύος, RF και αναδυόμενες εφαρμογές.
Ώρα δημοσίευσης: 08 Αυγούστου 2025