1. Introducció
Malgrat dècades de recerca, el 3C-SiC heteroepitaxial que creix sobre substrats de silici encara no ha aconseguit una qualitat cristal·lina suficient per a aplicacions electròniques industrials. El creixement es realitza normalment en substrats de Si(100) o Si(111), cadascun dels quals presenta reptes diferents: dominis antifase per a (100) i esquerdament per a (111). Tot i que les pel·lícules orientades a [111] presenten característiques prometedores com ara una densitat de defectes reduïda, una morfologia superficial millorada i una menor tensió, les orientacions alternatives com (110) i (211) continuen sense estar gaire estudiades. Les dades existents suggereixen que les condicions òptimes de creixement poden ser específiques de l'orientació, cosa que complica la investigació sistemàtica. En particular, l'ús de substrats de Si amb un índex de Miller més alt (per exemple, (311), (510)) per a l'heteroepitaxia 3C-SiC mai s'ha reportat, cosa que deixa un marge significatiu per a la recerca exploratòria sobre els mecanismes de creixement dependents de l'orientació.
2. Experimental
Les capes de 3C-SiC es van dipositar mitjançant deposició química de vapor a pressió atmosfèrica (CVD) utilitzant gasos precursors de SiH4/C3H8/H2. Els substrats eren oblies de Si d'1 cm² amb diverses orientacions: (100), (111), (110), (211), (311), (331), (510), (553) i (995). Tots els substrats estaven en l'eix excepte el (100), on es van provar addicionalment oblies retallades de 2°. La neteja prèvia al creixement va implicar un desgreixatge ultrasònic en metanol. El protocol de creixement va incloure l'eliminació d'òxid natiu mitjançant recuit d'H2 a 1000 °C, seguit d'un procés estàndard de dos passos: carburització durant 10 minuts a 1165 °C amb 12 sccm de C3H8, després epitaxia durant 60 minuts a 1350 °C (relació C/Si = 4) utilitzant 1,5 sccm de SiH4 i 2 sccm de C3H8. Cada cicle de creixement incloïa de quatre a cinc orientacions diferents de Si, amb almenys una oblia de referència (100).
3. Resultats i discussió
La morfologia de les capes de 3C-SiC cultivades sobre diversos substrats de Si (Fig. 1) va mostrar característiques superficials i rugositat diferents. Visualment, les mostres cultivades sobre Si(100), (211), (311), (553) i (995) tenien un aspecte mirallós, mentre que altres variaven des de lletoses ((331), (510)) fins a mates ((110), (111)). Les superfícies més llises (que mostren la microestructura més fina) es van obtenir sobre els substrats (100)2° off i (995). Sorprenentment, totes les capes van romandre sense esquerdes després del refredament, inclòs el 3C-SiC(111), típicament propens a tensions. La mida limitada de la mostra pot haver evitat les esquerdes, tot i que algunes mostres van mostrar una corba (desviació de 30-60 μm del centre a la vora) detectable sota microscòpia òptica amb un augment de 1000× a causa de la tensió tèrmica acumulada. Les capes molt arquejades que van créixer sobre substrats de Si(111), (211) i (553) van mostrar formes còncaves que indicaven una tensió de tracció, cosa que va requerir més treball experimental i teòric per correlacionar-les amb l'orientació cristal·logràfica.
La figura 1 resumeix els resultats de XRD i AFM (escaneig a 20 × 20 μ m2) de les capes de 3C-SC cultivades sobre substrats de Si amb diferents orientacions.
Les imatges de microscòpia de força atòmica (AFM) (Fig. 2) van corroborar les observacions òptiques. Els valors de l'arrel quadràtica mitjana (RMS) van confirmar les superfícies més llises en substrats (100)2° off i (995), amb estructures semblants a grans amb dimensions laterals de 400-800 nm. La capa cultivada amb (110) va ser la més rugosa, mentre que en altres orientacions van aparèixer característiques allargades i/o paral·leles amb límits nítids ocasionals ((331), (510)). Els escanejos de difracció de raigs X (XRD) θ-2θ (resumits a la Taula 1) van revelar una heteroepitaxia reeixida per a substrats d'índex de Miller inferior, excepte per a Si(110) que va mostrar pics mixtos de 3C-SiC(111) i (110) que indiquen policristal·linitat. Aquesta barreja d'orientacions s'ha descrit anteriorment per a Si(110), tot i que alguns estudis van observar 3C-SiC orientat exclusivament a (111), cosa que suggereix que l'optimització de les condicions de creixement és crítica. Per a índexs de Miller ≥5 ((510), (553), (995)), no es van detectar pics de XRD en la configuració estàndard de θ-2θ, ja que aquests plans d'índex alt no difracten en aquesta geometria. L'absència de pics de 3C-SiC de baix índex (per exemple, (111), (200)) suggereix un creixement monocristal·lí, que requereix la inclinació de la mostra per detectar la difracció dels plans de baix índex.
La figura 2 mostra el càlcul de l'angle del pla dins de l'estructura cristal·lina de CFC.
Els angles cristalogràfics calculats entre els plans d'índex alt i baix (Taula 2) van mostrar grans desorientacions (>10°), cosa que explica la seva absència en els escanejos estàndard de θ-2θ. Per tant, es va dur a terme una anàlisi de figures polars a la mostra orientada a (995) a causa de la seva morfologia granular inusual (potencialment per creixement columnar o maclació) i baixa rugositat. Les figures polars (111) (Fig. 3) del substrat de Si i la capa de 3C-SiC eren gairebé idèntiques, cosa que confirma el creixement epitaxial sense maclació. El punt central va aparèixer a χ≈15°, coincidint amb l'angle teòric (111)-(995). Van aparèixer tres punts equivalents a la simetria a les posicions esperades (χ=56,2°/φ=269,4°, χ=79°/φ=146,7° i 33,6°), tot i que un punt feble imprevist a χ=62°/φ=93,3° requereix més investigació. La qualitat cristal·lina, avaluada mitjançant l'amplada del punt en els escanejos φ, sembla prometedora, tot i que calen mesures de la corba de balanceig per a la quantificació. Les figures dels pols per a les mostres (510) i (553) encara no s'han completat per confirmar la seva presumpta naturalesa epitaxial.
La figura 3 mostra el diagrama de pics de XRD enregistrat a la mostra orientada (995), que mostra els plans (111) del substrat de Si (a) i la capa de 3C-SiC (b).
4. Conclusió
El creixement heteroepitaxial de 3C-SiC va tenir èxit en la majoria d'orientacions de Si excepte (110), que va produir material policristal·lí. Els substrats de Si(100)2° off i (995) van produir les capes més llises (RMS <1 nm), mentre que (111), (211) i (553) van mostrar una curvatura significativa (30-60 μm). Els substrats d'alt índex requereixen una caracterització avançada de XRD (per exemple, figures polars) per confirmar l'epitaxia a causa de l'absència de pics θ-2θ. El treball en curs inclou mesures de corbes de balanceig, anàlisi de tensions Raman i expansió a orientacions addicionals d'alt índex per completar aquest estudi exploratori.
Com a fabricant integrat verticalment, XKH ofereix serveis professionals de processament personalitzats amb una cartera completa de substrats de carbur de silici, oferint tipus estàndard i especialitzats, com ara 4H/6H-N, 4H-Semi, 4H/6H-P i 3C-SiC, disponibles en diàmetres de 2 polzades a 12 polzades. La nostra experiència integral en creixement de cristalls, mecanitzat de precisió i garantia de qualitat garanteix solucions a mida per a electrònica de potència, RF i aplicacions emergents.
Data de publicació: 08-08-2025