1. Introduktion
Trods årtiers forskning har heteroepitaxial 3C-SiC dyrket på siliciumsubstrater endnu ikke opnået tilstrækkelig krystalkvalitet til industrielle elektroniske anvendelser. Vækst udføres typisk på Si(100)- eller Si(111)-substrater, der hver især præsenterer forskellige udfordringer: antifasedomæner for (100) og revnedannelse for (111). Mens [111]-orienterede film udviser lovende egenskaber såsom reduceret defekttæthed, forbedret overflademorfologi og lavere spænding, forbliver alternative orienteringer som (110) og (211) understuderede. Eksisterende data tyder på, at optimale vækstbetingelser kan være orienteringsspecifikke, hvilket komplicerer systematisk undersøgelse. Det er værd at bemærke, at brugen af Si-substrater med højere Miller-indeks (f.eks. (311), (510)) til 3C-SiC heteroepitaxi aldrig er blevet rapporteret, hvilket giver betydelig plads til udforskende forskning i orienteringsafhængige vækstmekanismer.
2. Eksperimentel
3C-SiC-lagene blev aflejret via kemisk dampaflejring (CVD) under atmosfærisk tryk ved hjælp af SiH4/C3H8/H2-forløbergasser. Substraterne var 1 cm² Si-wafere med forskellige orienteringer: (100), (111), (110), (211), (311), (331), (510), (553) og (995). Alle substrater var on-axis undtagen (100), hvor 2° afskårne wafere yderligere blev testet. Rengøring før vækst involverede ultralydsaffedtning i methanol. Vækstprotokollen omfattede fjernelse af nativ oxid gennem H2-glødning ved 1000 °C, efterfulgt af en standard totrinsproces: karburering i 10 minutter ved 1165 °C med 12 sccm C3H8, derefter epitaksi i 60 minutter ved 1350 °C (C/Si-forhold = 4) ved hjælp af 1,5 sccm SiH4 og 2 sccm C3H8. Hver vækstkørsel omfattede fire til fem forskellige Si-orienteringer med mindst én (100) referencewafer.
3. Resultater og diskussion
Morfologien af 3C-SiC-lag dyrket på forskellige Si-substrater (fig. 1) viste tydelige overfladeegenskaber og ruhed. Visuelt fremstod prøver dyrket på Si(100), (211), (311), (553) og (995) spejlblanke, mens andre varierede fra mælkeagtige ((331), (510)) til matte ((110), (111)). De glatteste overflader (med den fineste mikrostruktur) blev opnået på (100)2° off og (995) substrater. Bemærkelsesværdigt nok forblev alle lag revnefri efter afkøling, inklusive den typisk spændingsudsatte 3C-SiC(111). Den begrænsede prøvestørrelse kan have forhindret revner, selvom nogle prøver udviste bøjning (30-60 μm afbøjning fra centrum til kant), der kan detekteres under optisk mikroskopi ved 1000× forstørrelse på grund af akkumuleret termisk spænding. Stærkt buede lag dyrket på Si(111), (211) og (553) substrater udviste konkave former, der indikerer trækspænding, hvilket kræver yderligere eksperimentelt og teoretisk arbejde for at korrelere med krystallografisk orientering.
Figur 1 opsummerer XRD- og AFM-resultaterne (scanning ved 20×20 μ m2) af 3C-SC-lagene dyrket på Si-substrater med forskellige orienteringer.
Atomkraftmikroskopi (AFM) billeder (fig. 2) bekræftede optiske observationer. Root-mean-square (RMS) værdier bekræftede de glateste overflader på (100)2° off og (995) substrater, med kornlignende strukturer med 400-800 nm laterale dimensioner. Det (110)-dyrkede lag var det rueste, mens aflange og/eller parallelle træk med lejlighedsvise skarpe grænser forekom i andre orienteringer ((331), (510)). Røntgendiffraktion (XRD) θ-2θ scanninger (opsummeret i tabel 1) afslørede vellykket heteroepitaxi for substrater med lavere Miller-indeks, bortset fra Si(110), som viste blandede 3C-SiC(111) og (110) toppe, der indikerer polykrystallinitet. Denne orienteringsblanding er tidligere blevet rapporteret for Si(110), selvom nogle undersøgelser observerede eksklusiv (111)-orienteret 3C-SiC, hvilket tyder på, at optimering af vækstbetingelser er kritisk. For Miller-indekser ≥5 ((510), (553), (995)) blev der ikke detekteret XRD-toppe i standard θ-2θ-konfiguration, da disse højindeksplaner ikke diffrakterer i denne geometri. Fraværet af lavindeks 3C-SiC-toppe (f.eks. (111), (200)) antyder enkeltkrystallinsk vækst, hvilket kræver prøvehældning for at detektere diffraktion fra lavindeksplaner.
Figur 2 viser beregningen af planvinklen inden for CFC-krystalstrukturen.
De beregnede krystallografiske vinkler mellem planer med højt og lavt indeks (Tabel 2) viste store misorienteringer (>10°), hvilket forklarer deres fravær i standard θ-2θ-scanninger. Polfiguranalyse blev derfor udført på den (995)-orienterede prøve på grund af dens usædvanlige granulære morfologi (potentielt fra søjlevækst eller tvillingdannelse) og lave ruhed. (111) polfigurerne (fig. 3) fra Si-substratet og 3C-SiC-laget var næsten identiske, hvilket bekræftede epitaksial vækst uden tvillingdannelse. Den centrale plet optrådte ved χ≈15°, hvilket matchede den teoretiske (111)-(995) vinkel. Tre symmetriækvivalente pletter optrådte ved forventede positioner (χ=56,2°/φ=269,4°, χ=79°/φ=146,7° og 33,6°), selvom et uforudset svagt punkt ved χ=62°/φ=93,3° kræver yderligere undersøgelse. Den krystallinske kvalitet, vurderet via punktbredde i φ-scanninger, ser lovende ud, selvom målinger af vippekurven er nødvendige for kvantificering. Polfigurer for prøverne (510) og (553) skal stadig færdiggøres for at bekræfte deres formodede epitaksiale natur.
Figur 3 viser XRD-peakdiagrammet optaget på den (995)-orienterede prøve, som viser (111)-planerne for Si-substratet (a) og 3C-SiC-laget (b).
4. Konklusion
Heteroepitaxial 3C-SiC-vækst lykkedes på de fleste Si-orienteringer undtagen (110), som gav polykrystallinsk materiale. Si(100)2° off og (995) substrater producerede de glateste lag (RMS <1 nm), mens (111), (211) og (553) udviste signifikant bøjning (30-60 μm). Substrater med højt indeks kræver avanceret XRD-karakterisering (f.eks. polfigurer) for at bekræfte epitaksi på grund af fraværende θ-2θ-toppe. Løbende arbejde omfatter målinger af vippekurver, Raman-spændingsanalyse og udvidelse til yderligere orienteringer med højt indeks for at fuldføre denne sonderende undersøgelse.
Som en vertikalt integreret producent tilbyder XKH professionelle, skræddersyede bearbejdningstjenester med en omfattende portefølje af siliciumcarbidsubstrater. Vi tilbyder standard- og specialtyper, herunder 4H/6H-N, 4H-Semi, 4H/6H-P og 3C-SiC, tilgængelige i diametre fra 2 tommer til 12 tommer. Vores omfattende ekspertise inden for krystalvækst, præcisionsbearbejdning og kvalitetssikring sikrer skræddersyede løsninger til effektelektronik, RF og nye applikationer.
Opslagstidspunkt: 8. august 2025