1. Pengenalan
Walaupun telah dijalankan penyelidikan selama beberapa dekad, 3C-SiC heteroepitaksial yang ditanam pada substrat silikon masih belum mencapai kualiti kristal yang mencukupi untuk aplikasi elektronik perindustrian. Pertumbuhan biasanya dilakukan pada substrat Si(100) atau Si(111), setiap satunya memberikan cabaran yang berbeza: domain anti-fasa untuk (100) dan retakan untuk (111). Walaupun filem berorientasikan [111] mempamerkan ciri-ciri yang menjanjikan seperti ketumpatan kecacatan yang berkurangan, morfologi permukaan yang lebih baik, dan tekanan yang lebih rendah, orientasi alternatif seperti (110) dan (211) masih belum dikaji. Data sedia ada menunjukkan bahawa keadaan pertumbuhan optimum mungkin khusus orientasi, merumitkan penyiasatan sistematik. Terutamanya, penggunaan substrat Si dengan indeks Miller yang lebih tinggi (contohnya, (311), (510)) untuk heteroepitaksi 3C-SiC tidak pernah dilaporkan, meninggalkan ruang yang ketara untuk penyelidikan penerokaan mengenai mekanisme pertumbuhan yang bergantung kepada orientasi.
2. Eksperimen
Lapisan 3C-SiC telah dimendapkan melalui pemendapan wap kimia tekanan atmosfera (CVD) menggunakan gas prekursor SiH4/C3H8/H2. Substrat tersebut ialah wafer Si 1 cm² dengan pelbagai orientasi: (100), (111), (110), (211), (311), (331), (510), (553), dan (995). Semua substrat berada pada paksi kecuali untuk (100), di mana wafer potongan 2° telah diuji tambahan. Pembersihan pra-pertumbuhan melibatkan penyahgris ultrasonik dalam metanol. Protokol pertumbuhan terdiri daripada penyingkiran oksida asli melalui penyepuhlindapan H2 pada suhu 1000°C, diikuti dengan proses dua langkah standard: pengkarburisasian selama 10 minit pada suhu 1165°C dengan 12 sccm C3H8, kemudian epitaksi selama 60 minit pada suhu 1350°C (nisbah C/Si = 4) menggunakan 1.5 sccm SiH4 dan 2 sccm C3H8. Setiap larian pertumbuhan merangkumi empat hingga lima orientasi Si yang berbeza, dengan sekurang-kurangnya satu (100) wafer rujukan.
3. Keputusan dan Perbincangan
Morfologi lapisan 3C-SiC yang ditumbuhkan pada pelbagai substrat Si (Rajah 1) menunjukkan ciri permukaan dan kekasaran yang berbeza. Secara visual, sampel yang ditumbuhkan pada Si(100), (211), (311), (553), dan (995) kelihatan seperti cermin, manakala yang lain terdiri daripada susu ((331), (510)) hingga kusam ((110), (111)). Permukaan yang paling licin (menunjukkan mikrostruktur terbaik) diperoleh pada substrat (100)2° off dan (995). Hebatnya, semua lapisan kekal bebas retak selepas penyejukan, termasuk 3C-SiC(111) yang biasanya terdedah kepada tekanan. Saiz sampel yang terhad mungkin telah menghalang keretakan, walaupun sesetengah sampel mempamerkan lengkungan (pesongan 30-60 μm dari tengah ke tepi) yang boleh dikesan di bawah mikroskop optik pada pembesaran 1000× disebabkan oleh tekanan haba terkumpul. Lapisan melengkung tinggi yang ditumbuhkan pada substrat Si(111), (211), dan (553) menunjukkan bentuk cekung yang menunjukkan regangan tegangan, yang memerlukan kerja eksperimen dan teori selanjutnya untuk mengaitkan dengan orientasi kristalografi.
Rajah 1 meringkaskan keputusan XRD dan AFM (pengimbasan pada 20×20 μ m2) bagi lapisan 3C-SC yang ditumbuhkan pada substrat Si dengan orientasi yang berbeza.
Imej mikroskopi daya atom (AFM) (Rajah 2) mengesahkan pemerhatian optik. Nilai akar-purata-kuasa dua (RMS) mengesahkan permukaan paling licin pada substrat (100)2° off dan (995), yang menampilkan struktur seperti butiran dengan dimensi sisi 400-800 nm. Lapisan yang tumbuh (110) adalah yang paling kasar, manakala ciri memanjang dan/atau selari dengan sempadan tajam sekali-sekala muncul dalam orientasi lain ((331), (510)). Imbasan pembelauan sinar-X (XRD) θ-2θ (diringkaskan dalam Jadual 1) mendedahkan heteroepitaksi yang berjaya untuk substrat indeks Miller yang lebih rendah, kecuali Si(110) yang menunjukkan puncak campuran 3C-SiC(111) dan (110) yang menunjukkan polikristaliniti. Pencampuran orientasi ini telah dilaporkan sebelum ini untuk Si(110), walaupun beberapa kajian memerhatikan 3C-SiC berorientasikan (111) eksklusif, menunjukkan pengoptimuman keadaan pertumbuhan adalah kritikal. Bagi indeks Miller ≥5 ((510), (553), (995)), tiada puncak XRD dikesan dalam konfigurasi θ-2θ standard memandangkan satah indeks tinggi ini tidak terbelau dalam geometri ini. Ketiadaan puncak 3C-SiC indeks rendah (contohnya, (111), (200)) menunjukkan pertumbuhan kristal tunggal, yang memerlukan kecondongan sampel untuk mengesan pembelauan daripada satah indeks rendah.
Rajah 2 menunjukkan pengiraan sudut satah dalam struktur kristal CFC.
Sudut kristalografi yang dikira antara satah indeks tinggi dan indeks rendah (Jadual 2) menunjukkan salah orientasi yang besar (>10°), menjelaskan ketiadaannya dalam imbasan θ-2θ standard. Oleh itu, analisis rajah kutub dijalankan pada sampel berorientasikan (995) disebabkan oleh morfologi granularnya yang luar biasa (berpotensi daripada pertumbuhan kolumnar atau kembaran) dan kekasaran yang rendah. Rajah kutub (111) (Rajah 3) daripada substrat Si dan lapisan 3C-SiC hampir sama, mengesahkan pertumbuhan epitaksi tanpa kembaran. Titik tengah muncul pada χ≈15°, sepadan dengan sudut teori (111)-(995). Tiga titik setara simetri muncul pada kedudukan yang dijangkakan (χ=56.2°/φ=269.4°, χ=79°/φ=146.7° dan 33.6°), walaupun titik lemah yang tidak diramalkan pada χ=62°/φ=93.3° memerlukan siasatan lanjut. Kualiti kristal, yang dinilai melalui lebar titik dalam imbasan φ, kelihatan menjanjikan, walaupun pengukuran lengkung goyang diperlukan untuk kuantifikasi. Angka kutub untuk sampel (510) dan (553) masih belum dilengkapkan untuk mengesahkan sifat epitaksi yang diandaikan.
Rajah 3 menunjukkan gambarajah puncak XRD yang direkodkan pada sampel berorientasikan (995), yang memaparkan satah (111) substrat Si (a) dan lapisan 3C-SiC (b).
4. Kesimpulan
Pertumbuhan heteroepitaksi 3C-SiC berjaya pada kebanyakan orientasi Si kecuali (110), yang menghasilkan bahan polikristalin. Substrat Si(100)2° off dan (995) menghasilkan lapisan paling licin (RMS <1 nm), manakala (111), (211), dan (553) menunjukkan lengkungan yang ketara (30-60 μm). Substrat indeks tinggi memerlukan pencirian XRD lanjutan (contohnya, rajah kutub) untuk mengesahkan epitaksi disebabkan oleh ketiadaan puncak θ-2θ. Kerja berterusan termasuk pengukuran lengkung goyang, analisis tegasan Raman, dan pengembangan kepada orientasi indeks tinggi tambahan untuk melengkapkan kajian penerokaan ini.
Sebagai pengeluar bersepadu secara vertikal, XKH menyediakan perkhidmatan pemprosesan tersuai profesional dengan portfolio substrat silikon karbida yang komprehensif, menawarkan jenis standard dan khusus termasuk 4H/6H-N, 4H-Semi, 4H/6H-P dan 3C-SiC, tersedia dalam diameter dari 2 inci hingga 12 inci. Kepakaran hujung ke hujung kami dalam pertumbuhan kristal, pemesinan ketepatan dan jaminan kualiti memastikan penyelesaian tersuai untuk elektronik kuasa, RF dan aplikasi baru muncul.
Masa siaran: 8 Ogos 2025