1. Johdanto
Vuosikymmenten tutkimuksesta huolimatta piialustoille kasvatettu heteroepitaksiaalinen 3C-SiC ei ole vielä saavuttanut riittävää kidelaatua teollisiin elektroniikkasovelluksiin. Kasvatus suoritetaan tyypillisesti Si(100)- tai Si(111)-alustoille, joilla kullakin on omat haasteensa: antifaasidomeenit (100)-alustoille ja halkeilu (111)-alustoille. Vaikka [111]-orientoituneilla kalvoilla on lupaavia ominaisuuksia, kuten pienempi virhetiheys, parantunut pinnan morfologia ja pienempi jännitys, vaihtoehtoisia orientaatioita, kuten (110) ja (211), on tutkittu vähän. Olemassa olevat tiedot viittaavat siihen, että optimaaliset kasvuolosuhteet voivat olla orientaatiokohtaisia, mikä vaikeuttaa systemaattista tutkimusta. Erityisesti korkeamman Miller-indeksin omaavien Si-alustojen (esim. (311), (510)) käyttöä 3C-SiC-heteroepitaksiassa ei ole koskaan raportoitu, mikä jättää merkittävästi tilaa orientaatiosta riippuvien kasvumekanismien tutkimukselle.
2. Kokeellinen
3C-SiC-kerrokset kerrostettiin ilmakehän paineessa kemiallisella höyrypinnoituksella (CVD) käyttäen SiH4/C3H8/H2-esiastekaasuja. Substraatit olivat 1 cm²:n Si-kiekkoja, joilla oli eri orientaatiot: (100), (111), (110), (211), (311), (331), (510), (553) ja (995). Kaikki substraatit olivat akselillaan paitsi (100), jossa testattiin lisäksi 2°:n leikattuja kiekkoja. Kasvatusta edeltävä puhdistus käsitti ultraäänirasvanpoiston metanolissa. Kasvatusprotokolla käsitti natiivin oksidin poiston H2-hehkutuksella 1000 °C:ssa, jota seurasi standardi kaksivaiheinen prosessi: hiiletys 10 minuuttia 1165 °C:ssa 12 sccm C3H8:lla, sitten epitaksi 60 minuuttia 1350 °C:ssa (C/Si-suhde = 4) käyttämällä 1,5 sccm SiH4:ää ja 2 sccm C3H8:aa. Jokainen kasvatusajo sisälsi neljästä viiteen erilaista Si-orientaatiota ja vähintään yhden (100) referenssikiekon.
3. Tulokset ja keskustelu
Erilaisille piialustoille kasvatettujen 3C-SiC-kerrosten morfologia (kuva 1) osoitti selkeitä pinnan ominaisuuksia ja karheutta. Visuaalisesti Si(100), (211), (311), (553) ja (995) -alustoille kasvatetut näytteet näyttivät peilimäisiltä, kun taas toiset vaihtelivat maitomaisista ((331), (510)) himmeisiin ((110), (111)). Tasaisimmat pinnat (joissa oli hienoin mikrorakenne) saatiin (100)2° off- ja (995) -alustoilla. On huomionarvoista, että kaikki kerrokset pysyivät halkeilemattomina jäähdytyksen jälkeen, mukaan lukien tyypillisesti jännityksenkestävä 3C-SiC(111). Rajallinen näytekoko on saattanut estää halkeilun, vaikka joissakin näytteissä havaittiin taipumista (30–60 μm taipuma keskeltä reunaan), joka oli havaittavissa optisella mikroskopialla 1000-kertaisella suurennuksella kertyneen lämpöjännityksen vuoksi. Si(111)-, (211)- ja (553)-alustoille kasvatetut voimakkaasti kaarevat kerrokset osoittivat vetolujuutta osoittavia koveria muotoja, joiden korreloimiseksi kristallografiseen orientaatioon vaadittiin lisää kokeellista ja teoreettista tutkimusta.
Kuvio 1 esittää yhteenvedon eri orientaatioilla piialustoille kasvatettujen 3C-SC-kerrosten XRD- ja AFM-tuloksista (skannaus 20 × 20 μ m2).
Atomivoimamikroskopiakuvat (AFM) (kuva 2) vahvistivat optisia havaintoja. Neliöjuurikeskiarvon (RMS) arvot vahvistivat tasaisimpien pintojen esiintymisen (100)2°:n suuntaisilla ja (995)-alustoilla, joissa esiintyi rakeiden kaltaisia rakenteita, joiden sivuttaismitat olivat 400–800 nm. (110)-kuviolla kasvatettu kerros oli karkein, kun taas muissa orientaatioissa esiintyi pitkänomaisia ja/tai yhdensuuntaisia piirteitä, joissa oli satunnaisia teräviä rajoja ((331), (510)). Röntgendiffraktio (XRD) θ-2θ -skannaukset (yhteenveto taulukossa 1) paljastivat onnistuneen heteroepitaksian alemman Millerin indeksin omaavilla alustoilla, lukuun ottamatta Si(110):tä, jossa havaittiin sekoittuneet 3C-SiC(111)- ja (110)-piikit, jotka viittaavat polykiteisyyteen. Tätä orientaatioiden sekoittumista on aiemmin raportoitu Si(110):lle, vaikka joissakin tutkimuksissa havaittiin yksinomaan (111)-suuntautunutta 3C-SiC:tä, mikä viittaa siihen, että kasvuolosuhteiden optimointi on kriittistä. Millerin indekseillä ≥5 ((510), (553), (995)) ei havaittu XRD-piikkejä standardissa θ-2θ-konfiguraatiossa, koska nämä korkean indeksin omaavat tasot eivät diffraktoi tässä geometriassa. Matalaindeksisten 3C-SiC-piikkien puuttuminen (esim. (111), (200)) viittaa yksikiteiseen kasvuun, mikä vaatii näytteen kallistusta matalaindeksisten tasojen diffraktion havaitsemiseksi.
Kuvio 2 esittää CFC-kiderakenteen tasokulman laskemisen.
Lasketut kristallografiset kulmat korkean ja matalan indeksin omaavien tasojen välillä (taulukko 2) osoittivat suuria virheitä (>10°), mikä selitti niiden puuttumisen tavanomaisissa θ-2θ-skannauksissa. Napakuvioanalyysi suoritettiin siksi (995)-orientoidulle näytteelle sen epätavallisen rakeisen morfologian (mahdollisesti pylväskasvun tai kaksostumisen seurauksena) ja alhaisen karheuden vuoksi. Si-substraatin ja 3C-SiC-kerroksen (111)-napakuviot (kuva 3) olivat lähes identtiset, mikä vahvisti epitaksiaalisen kasvun ilman kaksostumista. Keskuspiste ilmestyi kohtaan χ≈15°, mikä vastaa teoreettista (111)-(995)-kulmaa. Kolme symmetriaekvivalenttia täplää ilmestyi odotettuihin paikkoihin (χ=56,2°/φ=269,4°, χ=79°/φ=146,7° ja 33,6°), vaikka ennustamaton heikko kohta kohdassa χ=62°/φ=93,3° vaatii lisätutkimuksia. Kiteinen laatu, joka arvioitiin φ-skannausten pisteleveyden perusteella, vaikuttaa lupaavalta, vaikka kvantifiointiin tarvitaankin keinuntakäyrämittauksia. (510)- ja (553)-näytteiden napakuviot on vielä viimeisteltävä niiden oletetun epitaksiaalisen luonteen vahvistamiseksi.
Kuva 3 esittää (995)-orientoidulle näytteelle tallennetun XRD-piikkidiagrammin, joka näyttää piisubstraatin (a) ja 3C-SiC-kerroksen (b) (111)-tasot.
4. Johtopäätös
Heteroepitaksiaalinen 3C-SiC:n kasvu onnistui useimmissa Si-orientaatioissa paitsi (110), jossa saatiin polykiteistä materiaalia. Si(100)2°- ja (995)-substraatit tuottivat tasaisimmat kerrokset (RMS <1 nm), kun taas (111), (211) ja (553) osoittivat merkittävää kaareutumista (30–60 μm). Korkean indeksin substraatit vaativat edistynyttä XRD-karakterisointia (esim. napakuvioita) epitaksian varmistamiseksi θ-2θ-piikkien puuttumisen vuoksi. Käynnissä olevaan työhön kuuluu keinuntakäyrän mittauksia, Raman-jännitysanalyysiä ja laajentamista muihin korkean indeksin orientaatioihin tämän eksploratiivisen tutkimuksen loppuun saattamiseksi.
Vertikaalisesti integroituneena valmistajana XKH tarjoaa ammattimaisia räätälöityjä prosessointipalveluita kattavalla piikarbidisubstraattien valikoimalla. Tarjolla on sekä vakio- että erikoistyyppejä, kuten 4H/6H-N, 4H-Semi, 4H/6H-P ja 3C-SiC, saatavilla 2–12 tuuman halkaisijoina. Kokonaisvaltainen asiantuntemuksemme kiteenkasvatuksessa, tarkkuuskoneistuksessa ja laadunvarmistuksessa takaa räätälöidyt ratkaisut tehoelektroniikkaan, radiotaajuussovelluksiin ja uusiin sovelluksiin.
Julkaisun aika: 08.08.2025