1. Introduktion
Trots årtionden av forskning har heteroepitaxial 3C-SiC som odlats på kiselsubstrat ännu inte uppnått tillräcklig kristallkvalitet för industriella elektroniska tillämpningar. Tillväxt utförs vanligtvis på Si(100)- eller Si(111)-substrat, som vart och ett presenterar distinkta utmaningar: antifasdomäner för (100) och sprickbildning för (111). Medan [111]-orienterade filmer uppvisar lovande egenskaper såsom minskad defektdensitet, förbättrad ytmorfologi och lägre spänning, är alternativa orienteringar som (110) och (211) fortfarande understuderade. Befintliga data tyder på att optimala tillväxtförhållanden kan vara orienteringsspecifika, vilket komplicerar systematisk undersökning. Det är värt att notera att användningen av Si-substrat med högre Miller-index (t.ex. (311), (510)) för 3C-SiC heteroepitaxi aldrig har rapporterats, vilket lämnar betydande utrymme för utforskande forskning om orienteringsberoende tillväxtmekanismer.
2. Experimentell
3C-SiC-skikten deponerades via kemisk ångdeponering (CVD) vid atmosfärstryck med användning av SiH4/C3H8/H2-prekursorgaser. Substraten var 1 cm² Si-wafers med olika orienteringar: (100), (111), (110), (211), (311), (331), (510), (553) och (995). Alla substrat var on-axis förutom (100), där 2° off-cut wafers dessutom testades. Rengöring före tillväxten innebar ultraljudsavfettning i metanol. Tillväxtprotokollet omfattade avlägsnande av nativ oxid genom H2-glödgning vid 1000 °C, följt av en standard tvåstegsprocess: karburisering i 10 minuter vid 1165 °C med 12 sccm C3H8, sedan epitaxi i 60 minuter vid 1350 °C (C/Si-förhållande = 4) med användning av 1,5 sccm SiH4 och 2 sccm C3H8. Varje tillväxtomgång inkluderade fyra till fem olika Si-orienteringar, med minst en (100) referensskivor.
3. Resultat och diskussion
Morfologin hos 3C-SiC-skikt som odlats på olika Si-substrat (Fig. 1) uppvisade tydliga ytegenskaper och ojämnheter. Visuellt sett verkade prover som odlats på Si(100), (211), (311), (553) och (995) spegelblanka, medan andra varierade från mjölkiga ((331), (510)) till matta ((110), (111)). De jämnaste ytorna (med den finaste mikrostrukturen) erhölls på (100)2° off och (995) substrat. Anmärkningsvärt nog förblev alla lager sprickfria efter kylning, inklusive den typiskt spänningsbenägna 3C-SiC(111). Den begränsade provstorleken kan ha förhindrat sprickbildning, även om vissa prover uppvisade böjning (30-60 μm avböjning från centrum till kant) detekterbar under optisk mikroskopi vid 1000× förstoring på grund av ackumulerad termisk stress. Mycket böjda lager odlade på Si(111), (211) och (553)-substrat uppvisade konkava former som indikerar dragspänning, vilket krävde ytterligare experimentellt och teoretiskt arbete för att korrelera med kristallografisk orientering.
Figur 1 sammanfattar resultaten från XRD och AFM (skanning vid 20×20 μm2) för 3C-SC-skikten som odlats på Si-substrat med olika orienteringar.
Atomkraftsmikroskopi (AFM)-bilder (Fig. 2) bekräftade optiska observationer. RMS-värden (Root-mean-square) bekräftade de jämnaste ytorna på (100)2° off- och (995)-substrat, med kornliknande strukturer med 400-800 nm laterala dimensioner. Det (110)-odlade lagret var det grovaste, medan avlånga och/eller parallella strukturer med enstaka skarpa gränser uppträdde i andra orienteringar ((331), (510)). Röntgendiffraktion (XRD) θ-2θ-skanningar (sammanfattade i tabell 1) avslöjade framgångsrik heteroepitaxi för substrat med lägre Miller-index, förutom för Si(110) som visade blandade 3C-SiC(111)- och (110)-toppar som indikerar polykristallinitet. Denna orienteringsblandning har tidigare rapporterats för Si(110), även om vissa studier observerade exklusiv (111)-orienterad 3C-SiC, vilket tyder på att optimering av tillväxtförhållanden är avgörande. För Miller-index ≥5 ((510), (553), (995)) detekterades inga XRD-toppar i standard θ-2θ-konfiguration eftersom dessa plan med högt index inte diffrakterar i denna geometri. Avsaknaden av 3C-SiC-toppar med lågt index (t.ex. (111), (200)) tyder på enkristallin tillväxt, vilket kräver provlutning för att detektera diffraktion från plan med lågt index.
Figur 2 visar beräkningen av planvinkeln inom CFC-kristallstrukturen.
De beräknade kristallografiska vinklarna mellan plan med högt och lågt index (tabell 2) visade stora felorienteringar (>10°), vilket förklarar deras frånvaro i standard θ-2θ-skanningar. Polfigursanalys utfördes därför på det (995)-orienterade provet på grund av dess ovanliga granulära morfologi (potentiellt från kolumnär tillväxt eller tvillingbildning) och låga ojämnhet. (111)-polfigurerna (fig. 3) från Si-substratet och 3C-SiC-skiktet var nästan identiska, vilket bekräftade epitaxiell tillväxt utan tvillingbildning. Den centrala fläcken uppträdde vid χ≈15°, vilket matchade den teoretiska (111)-(995)-vinkeln. Tre symmetriekvivalenta fläckar uppträdde vid förväntade positioner (χ=56,2°/φ=269,4°, χ=79°/φ=146,7° och 33,6°), även om en oförutsedd svag fläck vid χ=62°/φ=93,3° kräver ytterligare undersökning. Den kristallina kvaliteten, bedömd via punktbredd i φ-skanningar, verkar lovande, även om mätningar av gungningskurvan behövs för kvantifiering. Polfigurer för proverna (510) och (553) behöver ännu färdigställas för att bekräfta deras förmodade epitaxiella natur.
Figur 3 visar XRD-toppdiagrammet registrerat på det (995)-orienterade provet, vilket visar (111)-planen för Si-substratet (a) och 3C-SiC-skiktet (b).
4. Slutsats
Heteroepitaxial 3C-SiC-tillväxt lyckades på de flesta Si-orienteringar förutom (110), vilket gav polykristallint material. Si(100)2° off och (995) substrat producerade de jämnaste lagren (RMS <1 nm), medan (111), (211) och (553) uppvisade signifikant böjning (30-60 μm). Substrat med högt index kräver avancerad XRD-karakterisering (t.ex. polfigurer) för att bekräfta epitaxi på grund av frånvarande θ-2θ-toppar. Pågående arbete inkluderar mätningar av gungningskurvor, Raman-spänningsanalys och expansion till ytterligare orienteringar med högt index för att slutföra denna utforskande studie.
Som en vertikalt integrerad tillverkare erbjuder XKH professionella, skräddarsydda bearbetningstjänster med en omfattande portfölj av kiselkarbidsubstrat. Vi erbjuder standard- och specialtyper, inklusive 4H/6H-N, 4H-Semi, 4H/6H-P och 3C-SiC, tillgängliga i diametrar från 2 tum till 12 tum. Vår heltäckande expertis inom kristalltillväxt, precisionsbearbetning och kvalitetssäkring säkerställer skräddarsydda lösningar för kraftelektronik, RF och nya applikationer.
Publiceringstid: 8 augusti 2025