1. Giriş
Onlarca yıllık araştırmalara rağmen, silikon alt tabakalar üzerine büyütülen heteroepitaksiyel 3C-SiC henüz endüstriyel elektronik uygulamaları için yeterli kristal kalitesine ulaşamamıştır. Büyüme tipik olarak Si(100) veya Si(111) alt tabakalar üzerinde gerçekleştirilir ve her biri farklı zorluklar sunar: (100) için anti-faz alanları ve (111) için çatlama. [111] yönelimli filmler azaltılmış kusur yoğunluğu, iyileştirilmiş yüzey morfolojisi ve daha düşük stres gibi ümit verici özellikler sergilerken, (110) ve (211) gibi alternatif yönelimler yeterince incelenmemiştir. Mevcut veriler, optimal büyüme koşullarının yönelime özgü olabileceğini ve sistematik araştırmayı zorlaştırdığını göstermektedir. Özellikle, 3C-SiC heteroepitaksi için daha yüksek Miller indeksli Si alt tabakaların (örneğin, (311), (510)) kullanımı hiçbir zaman bildirilmemiştir ve yönelime bağlı büyüme mekanizmaları üzerine keşifsel araştırmalar için önemli bir alan bırakmaktadır.
2. Deneysel
3C-SiC katmanları, SiH4/C3H8/H2 öncül gazları kullanılarak atmosferik basınçlı kimyasal buhar biriktirme (CVD) yoluyla biriktirildi. Alttaşlar, çeşitli yönelimlere sahip 1 cm² Si gofretlerdi: (100), (111), (110), (211), (311), (331), (510), (553) ve (995). 2° kesik gofretlerin ek olarak test edildiği (100) hariç tüm alttaşlar eksen üzerindeydi. Büyüme öncesi temizlik, metanolde ultrasonik yağ gidermeyi içeriyordu. Büyüme protokolü, 1000°C'de H2 tavlama yoluyla doğal oksit giderimini ve ardından standart iki adımlı bir işlemi içeriyordu: 1165°C'de 12 sccm C3H8 ile 10 dakika karbürizasyon, ardından 1350°C'de 1,5 sccm SiH4 ve 2 sccm C3H8 kullanılarak 60 dakika epitaksi. Her büyüme çalışması, en az bir (100) referans gofret ile dört ila beş farklı Si yönelimi içeriyordu.
3. Sonuçlar ve Tartışma
Çeşitli Si alt tabakaları üzerinde büyütülen 3C-SiC katmanlarının morfolojisi (Şekil 1) belirgin yüzey özellikleri ve pürüzlülük gösterdi. Görsel olarak, Si(100), (211), (311), (553) ve (995) üzerinde büyütülen numuneler ayna gibi görünürken, diğerleri süt beyazından ((331), (510)) mata ((110), (111)) kadar değişiyordu. En pürüzsüz yüzeyler (en iyi mikro yapıyı gösteren) (100)2° off ve (995) alt tabakalarında elde edildi. Dikkat çekici bir şekilde, tipik olarak gerilime eğilimli 3C-SiC(111) dahil olmak üzere tüm katmanlar soğutulduktan sonra çatlaklardan arındı. Sınırlı numune boyutu çatlamayı önlemiş olabilir, ancak bazı numuneler biriken termal gerilim nedeniyle 1000x büyütmede optik mikroskopi altında tespit edilebilen eğilme (merkezden kenara 30-60 μm sapma) sergiledi. Si(111), (211) ve (553) alt tabakalar üzerinde büyütülen oldukça eğimli katmanlar, kristalografik yönelimle ilişkilendirilmek üzere daha fazla deneysel ve teorik çalışma gerektiren çekme gerilimini gösteren içbükey şekiller sergiledi.
Şekil 1, farklı yönelimlere sahip Si alt tabakalar üzerine büyütülen 3C-SC katmanlarının XRD ve AFM (20×20 μ m2'de tarama) sonuçlarını özetlemektedir.
Atomik kuvvet mikroskobu (AFM) görüntüleri (Şekil 2), optik gözlemleri doğruladı. Kök ortalama kare (RMS) değerleri, 400-800 nm yanal boyutlara sahip tane benzeri yapılara sahip (100)2° ve (995) alt tabakalarında en pürüzsüz yüzeyleri doğruladı. (110)-büyütülmüş katman en pürüzlüydü, diğer yönelimlerde ise ara sıra keskin sınırlara sahip uzun ve/veya paralel özellikler ortaya çıktı ((331), (510)). X-ışını kırınımı (XRD) θ-2θ taramaları (Tablo 1'de özetlenmiştir), polikristaliniteyi gösteren karışık 3C-SiC(111) ve (110) pikleri gösteren Si(110) hariç, düşük Miller indeksli alt tabakalar için başarılı heteroepitaksi ortaya koydu. Bu yönelim karışımı daha önce Si(110) için rapor edilmiş olsa da, bazı çalışmalarda yalnızca (111) yönelimli 3C-SiC gözlemlenmiş ve bu da büyüme koşulu optimizasyonunun kritik olduğunu göstermiştir. Miller indeksleri ≥5 ((510), (553), (995)) için, bu yüksek indeksli düzlemler bu geometride kırınım yapmadığından, standart θ-2θ konfigürasyonunda hiçbir XRD tepesi tespit edilmemiştir. Düşük indeksli 3C-SiC tepelerinin yokluğu (örneğin, (111), (200)), düşük indeksli düzlemlerden kırınımı tespit etmek için numunenin eğilmesini gerektiren tek kristalli büyümeyi göstermektedir.
Şekil 2'de CFC kristal yapısı içerisinde düzlem açısının hesaplanması gösterilmektedir.
Yüksek indeksli ve düşük indeksli düzlemler arasındaki hesaplanan kristalografik açılar (Tablo 2), standart θ-2θ taramalarında bunların yokluğunu açıklayan büyük yanlış yönelimler (>10°) gösterdi. Bu nedenle, alışılmadık granüler morfolojisi (potansiyel olarak sütunlu büyüme veya ikizlenmeden) ve düşük pürüzlülüğü nedeniyle (995) yönelimli numune üzerinde kutup figürü analizi yapıldı. Si alt tabakasından ve 3C-SiC katmanından elde edilen (111) kutup figürleri (Şekil 3) neredeyse aynıydı ve ikizlenme olmadan epitaksiyel büyümeyi doğruladı. Merkezi nokta, teorik (111)-(995) açısıyla eşleşen χ≈15°'de belirdi. Beklenen konumlarda (χ=56,2°/φ=269,4°, χ=79°/φ=146,7° ve 33,6°) simetriye eşdeğer üç nokta belirdi; ancak χ=62°/φ=93,3°'de öngörülemeyen zayıf bir nokta daha fazla araştırma gerektiriyor. φ taramalarında nokta genişliği üzerinden değerlendirilen kristalin kalitesi umut verici görünse de, niceliksel analiz için salınım eğrisi ölçümlerine ihtiyaç duyulmaktadır. (510) ve (553) numunelerinin varsayılan epitaksiyel yapılarını doğrulamak için kutup şekillerinin tamamlanması gerekmektedir.
Şekil 3, (995) yönelimli numunede kaydedilen XRD tepe diyagramını göstermektedir; bu diyagram, Si alt tabakasının (a) ve 3C-SiC katmanının (b) (111) düzlemlerini göstermektedir.
4. Sonuç
Heteroepitaksiyel 3C-SiC büyümesi, polikristalin malzeme üreten (110) hariç çoğu Si yöneliminde başarılı oldu. Si(100)2° ve (995) alt tabakaları en pürüzsüz katmanları (RMS <1 nm) üretirken, (111), (211) ve (553) önemli bir eğilme (30-60 μm) gösterdi. Yüksek indeksli alt tabakalar, θ-2θ tepelerinin olmaması nedeniyle epitaksiyi doğrulamak için gelişmiş XRD karakterizasyonu (örneğin kutup figürleri) gerektirir. Devam eden çalışmalar, bu keşif çalışmasını tamamlamak için sallanma eğrisi ölçümlerini, Raman gerilme analizini ve ek yüksek indeksli yönelimlere genişletmeyi içermektedir.
Dikey olarak entegre bir üretici olan XKH, 2 inçten 12 inçe kadar çaplarda 4H/6H-N, 4H-Semi, 4H/6H-P ve 3C-SiC gibi standart ve özel tipler sunan kapsamlı bir silisyum karbür alt tabaka portföyüyle profesyonel, özelleştirilmiş işleme hizmetleri sunmaktadır. Kristal büyütme, hassas işleme ve kalite güvencesi alanındaki uçtan uca uzmanlığımız, güç elektroniği, RF ve yeni uygulamalar için özel çözümler sağlar.
Gönderi zamanı: 08-Ağu-2025