1. Sarrera
Hamarkadetan zehar ikerketa egin den arren, siliziozko substratuetan hazitako 3C-SiC heteroepitaxialak ez du oraindik nahikoa kristal-kalitate lortu industria-aplikazio elektronikoetarako. Hazkuntza normalean Si(100) edo Si(111) substratuetan egiten da, eta bakoitzak erronka desberdinak ditu: (100)-rako antifase-domeinuak eta (111)-rako pitzadurak. [111]-orientatutako filmek ezaugarri itxaropentsuak erakusten dituzten arren, hala nola akatsen dentsitate murriztua, gainazalaren morfologia hobetua eta tentsio txikiagoa, (110) eta (211) bezalako orientazio alternatiboak gutxi aztertu dira oraindik. Dauden datuek iradokitzen dute hazkuntza-baldintza optimoak orientazioaren araberakoak izan daitezkeela, eta horrek ikerketa sistematikoa zailtzen du. Aipagarria da, Miller-indize handiko Si substratuen erabilera (adibidez, (311), (510)) 3C-SiC heteroepitaxialerako ez dela inoiz jakinarazi, eta horrek aukera zabala uzten du orientazioaren araberako hazkuntza-mekanismoei buruzko ikerketa esploratzaileetarako.
2. Esperimentala
3C-SiC geruzak presio atmosferikoko lurrun-deposizio kimikoaren (CVD) bidez metatu ziren, SiH4/C3H8/H2 aitzindari gasak erabiliz. Substratuak 1 cm²-ko Si obleak ziren, orientazio desberdinekin: (100), (111), (110), (211), (311), (331), (510), (553) eta (995). Substratu guztiak ardatzean zeuden, (100) izan ezik, non 2°-ko moztutako obleak ere probatu ziren. Hazkuntza aurreko garbiketak metanolean ultrasoinuen bidezko deskoipeztatzea barne hartu zuen. Hazkuntza-protokoloak oxido natiboa kentzea barne hartu zuen 1000 °C-tan H2 erretzearen bidez, eta ondoren bi urratseko prozesu estandar bat: karburizazioa 10 minutuz 1165 °C-tan 12 sccm C3H8-rekin, eta ondoren epitaxia 60 minutuz 1350 °C-tan (C/Si erlazioa = 4) 1,5 sccm SiH4 eta 2 sccm C3H8 erabiliz. Hazkuntza-saio bakoitzak lau edo bost Si orientazio desberdin zituen, gutxienez erreferentziazko oblea batekin (100).
3. Emaitzak eta eztabaida
Hainbat Si substratutan hazitako 3C-SiC geruzen morfologiak (1. irudia) gainazaleko ezaugarri eta zimurtasun bereizgarriak erakutsi zituen. Bisualki, Si(100), (211), (311), (553) eta (995) laginetan hazitako laginak ispilu itxurakoak ziren, eta beste batzuk, berriz, esne kolorekoak ((331), (510)) eta lausoak ((110), (111)) ziren. Gainazal leunenenak (mikroegitura finena erakusten zutenak) (100)2°-ko angeluko eta (995) substratuetan lortu ziren. Harrigarria bada ere, geruza guztiak pitzadurarik gabe geratu ziren hoztu ondoren, tentsioarekiko joera tipikoa duen 3C-SiC(111) barne. Laginaren tamaina mugatuak pitzadurak eragotzi zituen, nahiz eta lagin batzuek makurdura erakutsi zuten (30-60 μm-ko desbideratzea erdigunetik ertzera), mikroskopia optikoan 1000× handitzean detektagarria den tentsio termiko metatuaren ondorioz. Si(111), (211) eta (553) substratuetan hazitako geruza oso kurbatuek forma ahurrak erakutsi zituzten, tentsio-tentsioa adierazten zutenak, eta lan esperimental eta teoriko gehiago behar izan ziren orientazio kristalografikoarekin korrelazionatzeko.
1. irudiak Si substratuetan orientazio ezberdinekin hazitako 3C-SC geruzen XRD eta AFM (20×20 μ m2-tan eskaneatzea) emaitzak laburbiltzen ditu.
Indar atomikoko mikroskopia (AFM) irudiek (2. irudia) behaketa optikoak berretsi zituzten. Erro karratu ertainaren (RMS) balioek gainazal leunenenak baieztatu zituzten (100)2°-ko eta (995) substratuetan, 400-800 nm-ko alboko dimentsioak zituzten pikor itxurako egiturak erakutsiz. (110) hazitako geruza izan zen zakarrena, eta beste orientazio batzuetan, noizbehinkako muga zorrotzak zituzten ezaugarri luzangak eta/edo paraleloak agertu ziren ((331), (510)). X izpien difrakzio (XRD) θ-2θ eskaneoek (1. taulan laburbilduta) heteroepitaxia arrakastatsua erakutsi zuten Miller indize baxuko substratuetan, Si(110) izan ezik, non 3C-SiC(111) eta (110) gailur mistoak erakutsi ziren polikristaltasuna adierazten dutenak. Orientazio nahasketa hau lehenago jakinarazi da Si(110)-rentzat, nahiz eta ikerketa batzuek (111) orientazio esklusiboko 3C-SiC ikusi zuten, eta horrek iradokitzen du hazkuntza-baldintzen optimizazioa funtsezkoa dela. Miller indize ≥5erako ((510), (553), (995)), ez zen XRD gailurrik detektatu θ-2θ konfigurazio estandarrean, indize handiko plano hauek ez baitira difraktatzen geometria honetan. Indize baxuko 3C-SiC gailurrik ez egoteak (adibidez, (111), (200)) kristal bakarreko hazkundea iradokitzen du, eta lagina okertu behar da indize baxuko planoetatik difrakzioa detektatzeko.
2. irudiak CFC kristal-egituraren barruko plano-angeluaren kalkulua erakusten du.
Indize handiko eta indize baxuko planoen arteko kalkulatutako angelu kristalografikoek (2. taula) desorientazio handiak erakutsi zituzten (>10°), eta horrek azaltzen du θ-2θ eskaneatze estandarretan ez daudela. Beraz, polo-irudien analisia egin zen (995) orientatutako laginaren gainean, bere morfologia pikortsu ezohikoa zelako (agian hazkunde zutabetsu edo bikoiztasunagatik) eta zimurtasun txikiagatik. Si substratuaren eta 3C-SiC geruzaren (111) polo-irudiak (3. irudia) ia berdinak ziren, eta horrek bikoiztasunik gabeko hazkunde epitaxiala baieztatzen zuen. Orban zentrala χ≈15°-tan agertu zen, (111)-(995) angelu teorikoarekin bat etorriz. Hiru simetria-baliokide diren orban agertu ziren espero ziren posizioetan (χ=56,2°/φ=269,4°, χ=79°/φ=146,7° eta 33,6°), nahiz eta χ=62°/φ=93,3°-tan aurreikusi gabeko orban ahul bat ikerketa gehiago behar den. Kristalen kalitatea, φ-eskaneoetan orban-zabaleraren bidez ebaluatua, itxaropentsua dirudi, nahiz eta kulunka-kurben neurketak beharrezkoak diren kuantifikaziorako. (510) eta (553) laginen polo-irudiak osatu gabe daude oraindik haien ustezko izaera epitaxiala baieztatzeko.
3. irudiak (995) orientazioko laginaren gainean grabatutako XRD gailurren diagrama erakusten du, Si substratuaren (a) eta 3C-SiC geruzaren (b) (111) planoak erakusten dituena.
4. Ondorioa
3C-SiC hazkunde heteroepitaxiala Si orientazio gehienetan arrakasta izan zuen, (110) izan ezik, material polikristalinoa eman baitzuen. Si(100)2° off eta (995) substratuek geruza leunenenak sortu zituzten (RMS <1 nm), (111), (211) eta (553) substratuek, berriz, makurdura nabarmena erakutsi zuten (30-60 μm). Indize handiko substratuek XRD karakterizazio aurreratua behar dute (adibidez, poloen irudiak) θ-2θ gailurren faltagatik epitaxia baieztatzeko. Lan jarraituak honako hauek barne hartzen ditu: kurba kulunkarien neurketak, Raman tentsioaren analisia eta indize handiko orientazio gehigarrietara hedapena, ikerketa esploratzaile hau osatzeko.
Bertikalki integratutako fabrikatzaile gisa, XKH-k prozesatzeko zerbitzu profesional pertsonalizatuak eskaintzen ditu silizio karburozko substratuen zorro zabal batekin, mota estandarrak eta espezializatuak eskainiz, besteak beste, 4H/6H-N, 4H-Semi, 4H/6H-P eta 3C-SiC, 2 hazbetetik 12 hazbeterako diametroetan eskuragarri. Kristalen hazkuntzan, doitasun-mekanizazioan eta kalitate-bermean dugun esperientzia osoari esker, potentzia-elektronikan, RF-n eta aplikazio berrietan neurrira egindako irtenbideak eskaintzen ditugu.
Argitaratze data: 2025eko abuztuak 8