1. Pengenalan
Walaupun berdekad penyelidikan, heteroepitaxial 3C-SiC 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), masing-masing memberikan cabaran yang berbeza: domain anti-fasa untuk (100) dan retak untuk (111). Walaupun filem berorientasikan [111] mempamerkan ciri-ciri yang menjanjikan seperti ketumpatan kecacatan yang berkurangan, morfologi permukaan yang bertambah baik, dan tekanan yang lebih rendah, orientasi alternatif seperti (110) dan (211) masih belum dipelajari. Data sedia ada mencadangkan bahawa keadaan pertumbuhan optimum mungkin khusus orientasi, merumitkan penyiasatan sistematik. Terutama, penggunaan substrat Si indeks Miller yang lebih tinggi (cth, (311), (510)) untuk heteroepitaksi 3C-SiC tidak pernah dilaporkan, meninggalkan ruang yang besar untuk penyelidikan penerokaan mengenai mekanisme pertumbuhan bergantung kepada orientasi.
2. Eksperimen
Lapisan 3C-SiC telah didepositkan melalui pemendapan wap kimia tekanan atmosfera (CVD) menggunakan gas prekursor SiH4/C3H8/H2. Substrat 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 terputus 2° 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: pengkarbonan selama 10 minit pada 1165°C dengan 12 sccm C3H8, kemudian epitaksi selama 60 minit pada 1350°C (nisbah C/Si = 4) menggunakan 1.H2cm2 dan C3 sc. Setiap larian pertumbuhan termasuk empat hingga lima orientasi Si yang berbeza, dengan sekurang-kurangnya satu (100) wafer rujukan.
3. Keputusan dan Perbincangan
Morfologi lapisan 3C-SiC yang ditanam pada pelbagai substrat Si (Rajah 1) menunjukkan ciri permukaan dan kekasaran yang berbeza. Secara visual, sampel yang ditanam pada Si(100), (211), (311), (553), dan (995) kelihatan seperti cermin, manakala yang lain adalah dari susu ((331), (510)) hingga kusam ((110), (111)). Permukaan paling licin (menunjukkan struktur mikro terbaik) diperolehi pada (100)2° off dan (995) substrat. 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 tunduk (30-60 μm pesongan dari pusat ke tepi) yang boleh dikesan di bawah mikroskop optik pada pembesaran 1000 × disebabkan oleh tekanan haba terkumpul. Lapisan tunduk tinggi yang ditanam pada substrat Si(111), (211), dan (553) memaparkan bentuk cekung yang menunjukkan ketegangan tegangan, memerlukan kerja eksperimen dan teori yang lebih lanjut untuk mengaitkan dengan orientasi kristalografi.
Rajah 1 meringkaskan keputusan XRD dan AFM (mengimbas pada 20×20 μm2) bagi lapisan 3C-SC yang ditanam pada substrat Si dengan orientasi yang berbeza.
Imej mikroskopi daya atom (AFM) (Rajah 2) menyokong pemerhatian optik. Nilai akar-mean-square (RMS) mengesahkan permukaan paling licin pada (100)2° off dan (995) substrat, menampilkan struktur seperti butiran dengan dimensi sisi 400-800 nm. Lapisan (110)-tumbuh 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 untuk Si(110) yang menunjukkan puncak campuran 3C-SiC(111) dan (110) yang menunjukkan polihabluran. Pencampuran orientasi ini telah dilaporkan sebelum ini untuk Si(110), walaupun beberapa kajian memerhatikan eksklusif (111) berorientasikan 3C-SiC, mencadangkan pengoptimuman keadaan pertumbuhan adalah kritikal. Untuk indeks Miller ≥5 ((510), (553), (995)), tiada puncak XRD dikesan dalam konfigurasi standard θ-2θ kerana satah indeks tinggi ini tidak membias dalam geometri ini. Ketiadaan puncak 3C-SiC indeks rendah (cth, (111), (200)) mencadangkan pertumbuhan kristal tunggal, memerlukan kecondongan sampel untuk mengesan pembelauan dari satah indeks rendah.
Rajah 2 menunjukkan pengiraan sudut satah dalam struktur hablur 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 angka tiang telah dijalankan pada sampel berorientasikan (995) kerana morfologi butirannya yang luar biasa (berpotensi daripada pertumbuhan kolumnar atau berkembar) dan kekasaran yang rendah. Angka kutub (111) (Rajah 3) daripada substrat Si dan lapisan 3C-SiC adalah hampir sama, mengesahkan pertumbuhan epitaxial tanpa berkembar. Titik tengah muncul pada χ≈15°, sepadan dengan sudut teori (111)-(995). Tiga titik persamaan 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 penyiasatan lanjut. Kualiti kristal, dinilai melalui lebar titik dalam imbasan φ, kelihatan menjanjikan, walaupun ukuran lengkung goyang diperlukan untuk pengiraan. Angka kutub untuk (510) dan (553) sampel masih perlu dilengkapkan untuk mengesahkan sifat epitaxial yang dianggapnya.
Rajah 3 menunjukkan gambar rajah puncak XRD yang direkodkan pada sampel berorientasikan (995), yang memaparkan (111) satah substrat Si (a) dan lapisan 3C-SiC (b).
4. Kesimpulan
Pertumbuhan Heteroepitaxial 3C-SiC berjaya pada kebanyakan orientasi Si kecuali (110), yang menghasilkan bahan polihabluran. Substrat Si(100)2° off dan (995) menghasilkan lapisan paling licin (RMS <1 nm), manakala (111), (211), dan (553) menunjukkan tunduk yang ketara (30-60 μm). Substrat indeks tinggi memerlukan pencirian XRD lanjutan (cth, angka tiang) untuk mengesahkan epitaksi kerana ketiadaan puncak θ-2θ. Kerja yang sedang dijalankan termasuk pengukuran lengkung goyang, analisis tegasan Raman dan pengembangan kepada orientasi indeks tinggi tambahan untuk melengkapkan kajian penerokaan ini.
Sebagai pengeluar bersepadu menegak, XKH menyediakan perkhidmatan pemprosesan tersuai profesional dengan portfolio komprehensif substrat silikon karbida, 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 yang disesuaikan untuk elektronik kuasa, RF dan aplikasi baru muncul.
Masa siaran: Ogos-08-2025