1. Giriş
On yıllarca süren araştırmalara rağmen, silikon alt tabakalar üzerinde yetiştirilen heteroepitaksiyel 3C-SiC, endüstriyel elektronik uygulamalar için yeterli kristal kalitesine henüz ulaşamamıştır. Büyüme genellikle 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 gerilim gibi umut verici özellikler sergilerken, (110) ve (211) gibi alternatif yönelimler yeterince incelenmemiştir. Mevcut veriler, optimum büyüme koşullarının yönelime özgü olabileceğini ve sistematik araştırmayı zorlaştırdığını göstermektedir. Özellikle, 3C-SiC heteroepitaksisi için daha yüksek Miller indeksli Si alt tabakalarının (örneğin, (311), (510)) kullanımı hiç bildirilmemiştir ve bu da yönelime bağlı büyüme mekanizmaları üzerine keşifsel araştırmalar için önemli bir alan bırakmaktadır.
2. Deneysel
3C-SiC katmanları, SiH4/C3H8/H2 öncü gazları kullanılarak atmosferik basınçlı kimyasal buhar biriktirme (CVD) yöntemiyle biriktirildi. Alt tabakalar, çeşitli yönelimlere sahip 1 cm² Si gofretlerdi: (100), (111), (110), (211), (311), (331), (510), (553) ve (995). (100) hariç tüm alt tabakalar eksen üzerindeydi; (100) için ise 2° açıyla kesilmiş gofretler ayrıca test edildi. Büyüme öncesi temizlik, metanolde ultrasonik yağ giderme işlemiyle gerçekleştirildi. Büyüme protokolü, 1000°C'de H2 tavlaması yoluyla doğal oksitin uzaklaştırılmasını ve ardından standart iki aşamalı bir işlemi içeriyordu: 1165°C'de 12 sccm C3H8 ile 10 dakika karbürizasyon, daha sonra 1350°C'de 60 dakika boyunca (C/Si oranı = 4) 1,5 sccm SiH4 ve 2 sccm C3H8 kullanılarak epitaksi. Her büyüme işlemi, en az bir (100) referans plaka ile dört ila beş farklı Si yönelimini içeriyordu.
3. Sonuçlar ve Tartışma
Çeşitli Si alt tabakalar üzerinde yetiştirilen 3C-SiC katmanlarının morfolojisi (Şekil 1), belirgin yüzey özellikleri ve pürüzlülük gösterdi. Görsel olarak, Si(100), (211), (311), (553) ve (995) üzerinde yetiştirilen numuneler ayna gibi görünürken, diğerleri sütlü ((331), (510)) ile mat ((110), (111)) arasında değişiyordu. En pürüzsüz yüzeyler (en ince mikro yapıyı gösterenler), (100)2° of ve (995) alt tabakalarda elde edildi. Dikkat çekici bir şekilde, tipik olarak gerilime eğilimli 3C-SiC(111) dahil olmak üzere tüm katmanlar soğutmadan sonra çatlaksız kaldı. Sınırlı numune boyutu çatlamayı önlemiş olabilir, ancak bazı numuneler, biriken termal gerilim nedeniyle 1000× büyütmede optik mikroskop altında tespit edilebilen bir eğilme (merkezden kenara 30-60 μm sapma) sergiledi. Si(111), (211) ve (553) alt tabakalar üzerinde yetiştirilen yüksek oranda kavisli katmanlar, gerilme gerilimini gösteren içbükey şekiller sergiledi ve kristalografik yönelimle ilişkilendirilmesi için daha fazla deneysel ve teorik çalışma gerektiriyor.
Şekil 1, farklı yönelimlere sahip Si alt tabakalar üzerinde yetiştirilen 3C-SC katmanlarının XRD ve AFM (20×20 μm2'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 tanecik benzeri yapılar içeren (100)2° ve (995) alt tabakalarda en pürüzsüz yüzeyleri doğruladı. (110) ile büyütülen katman en pürüzlüydü, diğer yönelimlerde ((331), (510)) ise ara sıra keskin sınırlara sahip uzun ve/veya paralel özellikler ortaya çıktı. X-ışını kırınımı (XRD) θ-2θ taramaları (Tablo 1'de özetlenmiştir), polikristalliği gösteren karışık 3C-SiC(111) ve (110) pikleri gösteren Si(110) hariç, daha düşük Miller indeksli alt tabakalar için başarılı heteroepitaksiyi ortaya koydu. Bu yönelim karışımı daha önce Si(110) için rapor edilmişti, ancak bazı çalışmalar yalnızca (111) yönelimli 3C-SiC gözlemlemiş ve büyüme koşullarının optimizasyonunun kritik olduğunu öne sürmüştür. Miller indeksleri ≥5 ((510), (553), (995)) için, bu yüksek indeksli düzlemler bu geometride kırınım yapmadığından, standart θ-2θ konfigürasyonunda hiçbir XRD piki tespit edilmemiştir. Düşük indeksli 3C-SiC piklerinin (örneğin, (111), (200)) yokluğu, tek kristalli büyümeyi gösterir ve düşük indeksli düzlemlerden kırınımı tespit etmek için numunenin eğilmesini gerektirir.
Şekil 2, CFC kristal yapısı içindeki düzlem açısının hesaplamasını göstermektedir.
Yüksek indeksli ve düşük indeksli düzlemler arasındaki hesaplanan kristalografik açılar (Tablo 2), büyük yanlış yönlenmeler (>10°) gösterdi ve bu da standart θ-2θ taramalarında yokluklarını açıklamaktadır. Bu nedenle, alışılmadık tanecikli morfolojisi (muhtemelen sütunlu büyüme veya ikizlenmeden kaynaklanan) 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. Merkez nokta χ≈15°'de göründü ve teorik (111)-(995) açısıyla eşleşti. Beklenen pozisyonlarda üç simetri eşdeğer nokta ortaya çıktı (χ=56,2°/φ=269,4°, χ=79°/φ=146,7° ve 33,6°), ancak χ=62°/φ=93,3°'deki beklenmedik zayıf nokta daha fazla araştırma gerektiriyor. φ taramalarındaki nokta genişliği ile değerlendirilen kristal kalitesi umut verici görünüyor, ancak nicelleştirme için salınım eğrisi ölçümlerine ihtiyaç duyuluyor. (510) ve (553) örneklerinin varsayılan epitaksiyel doğasını doğrulamak için kutup şekillerinin tamamlanması gerekiyor.
Şekil 3, (995) yönelimli numune üzerinde kaydedilen XRD pik diyagramını göstermektedir; bu diyagramda Si alt tabakasının (a) ve 3C-SiC katmanının (b) (111) düzlemleri gösterilmektedir.
4. Sonuç
Heteroepitaksiyel 3C-SiC büyümesi, polikristalin malzeme üreten (110) hariç çoğu Si yöneliminde başarılı oldu. Si(100)2° sapma ve (995) alt tabakalar en düzgün katmanları (RMS <1 nm) üretirken, (111), (211) ve (553) önemli bir eğilme (30-60 μm) gösterdi. Yüksek indeksli alt tabakalar, θ-2θ piklerinin yokluğu nedeniyle epitaksiyi doğrulamak için gelişmiş XRD karakterizasyonu (örneğin, kutup figürleri) gerektirir. Devam eden çalışmalar arasında salınım eğrisi ölçümleri, Raman gerilim analizi ve bu keşifsel çalışmayı tamamlamak için ek yüksek indeksli yönelimlere genişletme yer almaktadır.
Dikey entegre bir üretici olarak XKH, 2 inçten 12 inçe kadar çaplarda bulunan 4H/6H-N, 4H-Semi, 4H/6H-P ve 3C-SiC dahil olmak üzere standart ve özel tiplerde kapsamlı bir silisyum karbür alt tabaka portföyü ile profesyonel özelleştirilmiş işleme hizmetleri sunmaktadır. Kristal büyümesi, hassas işleme ve kalite güvencesindeki uçtan uca uzmanlığımız, güç elektroniği, RF ve gelişmekte olan uygulamalar için özel çözümler sağlamaktadır.
Yayın tarihi: 08 Ağustos 2025