1. Innledning
Til tross for flere tiår med forskning har heteroepitaksial 3C-SiC dyrket på silisiumsubstrater ennå ikke oppnådd tilstrekkelig krystallkvalitet for industrielle elektroniske applikasjoner. Vekst utføres vanligvis på Si(100)- eller Si(111)-substrater, som hver presenterer distinkte utfordringer: antifasedomener for (100) og sprekkdannelser for (111). Mens [111]-orienterte filmer viser lovende egenskaper som redusert defekttetthet, forbedret overflatemorfologi og lavere spenning, er alternative orienteringer som (110) og (211) fortsatt understudert. Eksisterende data tyder på at optimale vekstforhold kan være orienteringsspesifikke, noe som kompliserer systematisk undersøkelse. Det er verdt å merke seg at bruken av Si-substrater med høyere Miller-indeks (f.eks. (311), (510)) for 3C-SiC heteroepitaksi aldri har blitt rapportert, noe som gir betydelig rom for utforskende forskning på orienteringsavhengige vekstmekanismer.
2. Eksperimentell
3C-SiC-lagene ble avsatt via kjemisk dampavsetning (CVD) under atmosfærisk trykk ved bruk av SiH4/C3H8/H2-forløpergasser. Substratene var 1 cm² Si-wafere med forskjellige orienteringer: (100), (111), (110), (211), (311), (331), (510), (553) og (995). Alle substratene var på aksen bortsett fra (100), hvor 2° avkuttede wafere i tillegg ble testet. Rengjøring før vekst involverte ultralydavfetting i metanol. Vekstprotokollen omfattet fjerning av naturlig oksid gjennom H2-gløding ved 1000 °C, etterfulgt av en standard totrinnsprosess: karburisering i 10 minutter ved 1165 °C med 12 sccm C3H8, deretter epitaksi i 60 minutter ved 1350 °C (C/Si-forhold = 4) ved bruk av 1,5 sccm SiH4 og 2 sccm C3H8. Hver vekstomgang inkluderte fire til fem forskjellige Si-orienteringer, med minst én (100) referansewafer.
3. Resultater og diskusjon
Morfologien til 3C-SiC-lagene dyrket på forskjellige Si-substrater (fig. 1) viste tydelige overflateegenskaper og ruhet. Visuelt fremstod prøver dyrket på Si(100), (211), (311), (553) og (995) speilblanke, mens andre varierte fra melkeaktige ((331), (510)) til matte ((110), (111)). De glatteste overflatene (som viser den fineste mikrostrukturen) ble oppnådd på (100)2° off og (995) substrater. Bemerkelsesverdig nok forble alle lagene sprekkfrie etter avkjøling, inkludert den typisk spenningsutsatte 3C-SiC(111). Den begrensede prøvestørrelsen kan ha forhindret sprekkdannelser, selv om noen prøver viste bøying (30–60 μm avbøyning fra sentrum til kant) som kan detekteres under optisk mikroskopi ved 1000× forstørrelse på grunn av akkumulert termisk spenning. Sterkt bøyde lag dyrket på Si(111), (211) og (553)-substrater viste konkave former som indikerer strekkbelastning, noe som krever ytterligere eksperimentelt og teoretisk arbeid for å korrelere med krystallografisk orientering.
Figur 1 oppsummerer XRD- og AFM-resultatene (skanning ved 20×20 μ m2) av 3C-SC-lagene dyrket på Si-substrater med forskjellige orienteringer.
Atomkraftmikroskopi (AFM)-bilder (fig. 2) bekreftet optiske observasjoner. RMS-verdier (rotmiddelkvadratverdier) bekreftet de glatteste overflatene på (100)2° off- og (995)-substrater, med kornlignende strukturer med laterale dimensjoner på 400–800 nm. Det (110)-grodde laget var det groveste, mens langstrakte og/eller parallelle trekk med sporadiske skarpe grenser dukket opp i andre orienteringer ((331), (510)). Røntgendiffraksjon (XRD) θ-2θ-skanninger (oppsummert i tabell 1) avdekket vellykket heteroepitaksi for substrater med lavere Miller-indeks, bortsett fra Si(110) som viste blandede 3C-SiC(111)- og (110)-topper som indikerer polykrystallinitet. Denne orienteringsblandingen har tidligere blitt rapportert for Si(110), selv om noen studier observerte eksklusiv (111)-orientert 3C-SiC, noe som tyder på at optimalisering av vekstbetingelser er kritisk. For Miller-indekser ≥5 ((510), (553), (995)) ble det ikke oppdaget XRD-topper i standard θ-2θ-konfigurasjon, siden disse høyindeksplanene ikke diffrakterer i denne geometrien. Fraværet av lavindeks 3C-SiC-topper (f.eks. (111), (200)) antyder enkeltkrystallinsk vekst, som krever prøvevipping for å oppdage diffraksjon fra lavindeksplan.
Figur 2 viser beregningen av planvinkelen innenfor KFK-krystallstrukturen.
De beregnede krystallografiske vinklene mellom plan med høy og lav indeks (tabell 2) viste store feilorienteringer (>10°), noe som forklarer fraværet av disse i standard θ-2θ-skanninger. Polfiguranalyse ble derfor utført på den (995)-orienterte prøven på grunn av dens uvanlige granulære morfologi (potensielt fra søylevekst eller tvinning) og lave ruhet. (111)-polfigurene (fig. 3) fra Si-substratet og 3C-SiC-laget var nesten identiske, noe som bekreftet epitaksial vekst uten tvinning. Den sentrale flekken dukket opp ved χ≈15°, og samsvarte med den teoretiske (111)-(995)-vinkelen. Tre symmetriekvivalente flekker dukket opp på forventede posisjoner (χ=56,2°/φ=269,4°, χ=79°/φ=146,7° og 33,6°), selv om et uforutsett svakt punkt ved χ=62°/φ=93,3° krever ytterligere undersøkelse. Den krystallinske kvaliteten, vurdert via punktbredde i φ-skanninger, virker lovende, selv om målinger av gyngekurven er nødvendig for kvantifisering. Polfigurer for prøvene (510) og (553) gjenstår å fullføre for å bekrefte deres antatte epitaksiale natur.
Figur 3 viser XRD-toppdiagrammet registrert på den (995)-orienterte prøven, som viser (111)-planene til Si-substratet (a) og 3C-SiC-laget (b).
4. Konklusjon
Heteroepitaxial 3C-SiC-vekst lyktes på de fleste Si-orienteringer unntatt (110), som ga polykrystallinsk materiale. Si(100)2° off og (995) substrater produserte de glatteste lagene (RMS <1 nm), mens (111), (211) og (553) viste betydelig bøying (30–60 μm). Substrater med høy indeks krever avansert XRD-karakterisering (f.eks. polfigurer) for å bekrefte epitaksi på grunn av fraværende θ-2θ-topper. Pågående arbeid inkluderer målinger av gyngekurve, Raman-spenningsanalyse og utvidelse til ytterligere orienteringer med høy indeks for å fullføre denne utforskende studien.
Som en vertikalt integrert produsent tilbyr XKH profesjonelle, tilpassede prosesseringstjenester med en omfattende portefølje av silisiumkarbidsubstrater. Vi tilbyr standard- og spesialiserte typer, inkludert 4H/6H-N, 4H-Semi, 4H/6H-P og 3C-SiC, tilgjengelig i diametre fra 2 tommer til 12 tommer. Vår omfattende ekspertise innen krystallvekst, presisjonsmaskinering og kvalitetssikring sikrer skreddersydde løsninger for kraftelektronikk, RF og nye applikasjoner.
Publisert: 08.08.2025