1. Introducere
În ciuda deceniilor de cercetare, 3C-SiC heteroepitaxial crescut pe substraturi de siliciu nu a atins încă o calitate cristalină suficientă pentru aplicații electronice industriale. Creșterea se realizează de obicei pe substraturi de Si(100) sau Si(111), fiecare prezentând provocări distincte: domenii anti-fază pentru (100) și fisurare pentru (111). Deși peliculele orientate spre [111] prezintă caracteristici promițătoare, cum ar fi densitatea redusă a defectelor, morfologia îmbunătățită a suprafeței și stresul mai mic, orientările alternative precum (110) și (211) rămân insuficient studiate. Datele existente sugerează că condițiile optime de creștere pot fi specifice orientării, ceea ce complică investigațiile sistematice. În special, utilizarea substraturilor de Si cu indice Miller mai mare (de exemplu, (311), (510)) pentru heteroepitaxia 3C-SiC nu a fost niciodată raportată, lăsând loc semnificativ pentru cercetări exploratorii privind mecanismele de creștere dependente de orientare.
2. Experimental
Straturile 3C-SiC au fost depuse prin depunere chimică în fază de vapori (CVD) la presiune atmosferică utilizând gaze precursoare SiH4/C3H8/H2. Substraturile au fost napolitane de Si de 1 cm² cu diferite orientări: (100), (111), (110), (211), (311), (331), (510), (553) și (995). Toate substraturile au fost axate, cu excepția (100), unde au fost testate suplimentar napolitane decupate la 2°. Curățarea pre-creștere a implicat degresarea cu ultrasunete în metanol. Protocolul de creștere a constat în îndepărtarea oxidului nativ prin recoacere cu H2 la 1000°C, urmată de un proces standard în doi pași: carburare timp de 10 minute la 1165°C cu 12 sccm C3H8, apoi epitaxie timp de 60 de minute la 1350°C (raport C/Si = 4) utilizând 1,5 sccm SiH4 și 2 sccm C3H8. Fiecare ciclu de creștere a inclus patru până la cinci orientări diferite de Si, cu cel puțin o placă de referință (100).
3. Rezultate și discuții
Morfologia straturilor de 3C-SiC crescute pe diverse substraturi de Si (Fig. 1) a prezentat caracteristici distincte ale suprafeței și rugozități. Vizual, probele crescute pe Si(100), (211), (311), (553) și (995) au apărut ca niște oglinzi, în timp ce altele au variat de la lăptoase ((331), (510)) la mate ((110), (111)). Cele mai netede suprafețe (care prezintă cea mai fină microstructură) au fost obținute pe substraturile (100)2° off și (995). În mod remarcabil, toate straturile au rămas fără fisuri după răcire, inclusiv 3C-SiC(111), predispus la stres. Dimensiunea limitată a probei ar fi putut preveni fisurarea, deși unele probe au prezentat o curbură (o deviere de 30-60 μm de la centru la margine) detectabilă la microscopie optică la o mărire de 1000× din cauza stresului termic acumulat. Straturile puternic curbate crescute pe substraturi de Si(111), (211) și (553) au prezentat forme concave care indică o deformare la tracțiune, necesitând studii experimentale și teoretice suplimentare pentru a fi corelate cu orientarea cristalografică.
Figura 1 prezintă un rezumat al rezultatelor XRD și AFM (scanare la 20×20 μm2) pentru straturile 3C-SC crescute pe substraturi de Si cu orientări diferite.
Imaginile obținute prin microscopie cu forță atomică (AFM) (Fig. 2) au coroborat observațiile optice. Valorile mediei pătratice (RMS) au confirmat cele mai netede suprafețe pe substraturile cu (100)2° off și (995), prezentând structuri asemănătoare granulelor cu dimensiuni laterale de 400-800 nm. Stratul crescut cu (110) a fost cel mai rugos, în timp ce caracteristici alungite și/sau paralele cu limite ocazionale ascuțite au apărut în alte orientări ((331), (510)). Scanările de difracție de raze X (XRD) θ-2θ (rezumate în Tabelul 1) au relevat o heteroepitaxie reușită pentru substraturile cu indice Miller inferior, cu excepția Si(110) care a prezentat vârfuri mixte 3C-SiC(111) și (110) care indică policristalinitate. Această amestecare a orientărilor a fost raportată anterior pentru Si(110), deși unele studii au observat 3C-SiC orientat exclusiv spre (111), sugerând că optimizarea condițiilor de creștere este critică. Pentru indicii Miller ≥5 ((510), (553), (995)), nu s-au detectat vârfuri XRD în configurația standard θ-2θ, deoarece aceste plane cu indice mare nu difractă în această geometrie. Absența vârfurilor 3C-SiC cu indice mic (de exemplu, (111), (200)) sugerează o creștere monocristalină, necesitând înclinarea probei pentru a detecta difracția de la planurile cu indice mic.
Figura 2 prezintă calculul unghiului planului în cadrul structurii cristaline CFC.
Unghiurile cristalografice calculate între planurile cu indice mare și cele cu indice mic (Tabelul 2) au arătat dezorientări mari (>10°), explicând absența lor în scanările standard θ-2θ. Prin urmare, analiza figurilor polare a fost efectuată pe proba orientată (995) datorită morfologiei sale granulare neobișnuite (potențial din cauza creșterii columnare sau a înfrățirii) și a rugozității reduse. Figurile polare (111) (Fig. 3) de la substratul de Si și stratul 3C-SiC au fost aproape identice, confirmând creșterea epitaxială fără înfrățire. Punctul central a apărut la χ≈15°, corespunzând unghiului teoretic (111)-(995). Trei pete echivalente din punct de vedere al simetriei au apărut în pozițiile așteptate (χ=56,2°/φ=269,4°, χ=79°/φ=146,7° și 33,6°), deși un punct slab neprevăzut la χ=62°/φ=93,3° necesită investigații suplimentare. Calitatea cristalină, evaluată prin lățimea spotului în scanările φ, pare promițătoare, deși sunt necesare măsurători ale curbei oscilante pentru cuantificare. Figurile polilor pentru probele (510) și (553) urmează să fie finalizate pentru a confirma presupusa lor natură epitaxială.
Figura 3 prezintă diagrama vârfurilor XRD înregistrată pe proba orientată (995), care afișează planurile (111) ale substratului de Si (a) și ale stratului 3C-SiC (b).
4. Concluzie
Creșterea heteroepitaxială 3C-SiC a avut succes pe majoritatea orientărilor Si, cu excepția (110), care a produs material policristalin. Substraturile Si(100)2° off și (995) au produs cele mai netede straturi (RMS <1 nm), în timp ce (111), (211) și (553) au prezentat o curbură semnificativă (30-60 μm). Substraturile cu indice de densitate mare necesită caracterizare avansată XRD (de exemplu, figuri polare) pentru a confirma epitaxia din cauza absenței vârfurilor θ-2θ. Lucrările în curs includ măsurători ale curbei de oscilație, analiza Raman a stresului și extinderea la orientări suplimentare cu indice de densitate mare pentru a finaliza acest studiu exploratoriu.
În calitate de producător integrat vertical, XKH oferă servicii profesionale de procesare personalizată cu un portofoliu complet de substraturi din carbură de siliciu, oferind tipuri standard și specializate, inclusiv 4H/6H-N, 4H-Semi, 4H/6H-P și 3C-SiC, disponibile în diametre de la 2 inci la 12 inci. Expertiza noastră completă în creșterea cristalelor, prelucrarea de precizie și asigurarea calității asigură soluții personalizate pentru electronică de putere, RF și aplicații emergente.
Data publicării: 08 august 2025