1. Inngangur
Þrátt fyrir áratuga rannsóknir hefur 3C-SiC, sem er ræktað á kísil undirlögum, ekki enn náð nægilegum kristalgæðum fyrir iðnaðar rafeindabúnað. Vöxtur er venjulega framkvæmdur á Si(100) eða Si(111) undirlögum, sem hvert um sig býður upp á sérstakar áskoranir: andfasa lén fyrir (100) og sprungur fyrir (111). Þó að [111]-stefndar filmur sýni efnilega eiginleika eins og minni gallaþéttleika, bætta yfirborðsformgerð og minni spennu, eru aðrar stefnur eins og (110) og (211) enn vanrannsakaðar. Fyrirliggjandi gögn benda til þess að bestu vaxtarskilyrðin geti verið stefnusértæk, sem flækir kerfisbundnar rannsóknir. Athyglisvert er að notkun Si undirlaga með hærri Miller-vísitölu (td (311), (510)) fyrir 3C-SiC stefnuþekju hefur aldrei verið tilkynnt, sem skilur eftir verulegt svigrúm fyrir könnunarrannsóknir á stefnuháðum vaxtarferlum.
2. Tilraunakennd
3C-SiC lögin voru sett niður með efnagufuútfellingu við andrúmsloftsþrýsting (CVD) með SiH4/C3H8/H2 forveralofttegundum. Undirlagin voru 1 cm² Si-skífur með mismunandi stefnumörkun: (100), (111), (110), (211), (311), (331), (510), (553) og (995). Öll undirlagin voru á ás nema (100), þar sem 2° afskornar skífur voru einnig prófaðar. Forhreinsun fyrir vöxt fól í sér ómskoðunarfituhreinsun í metanóli. Vaxtarferlið fól í sér fjarlægingu á upprunalegu oxíði með H2-glæðingu við 1000°C, fylgt eftir af stöðluðu tveggja þrepa ferli: kolefnishreinsun í 10 mínútur við 1165°C með 12 sccm C3H8, síðan epitaxía í 60 mínútur við 1350°C (C/Si hlutfall = 4) með 1,5 sccm SiH4 og 2 sccm C3H8. Hver vaxtarkeyrsla innihélt fjórar til fimm mismunandi Si-stefnur, með að minnsta kosti einni (100) viðmiðunarskífu.
3. Niðurstöður og umræða
Lögun 3C-SiC laga sem ræktuð voru á ýmsum Si undirlögum (Mynd 1) sýndi greinilega yfirborðseinkenni og ójöfnur. Sjónrænt litu sýnin út fyrir að vera spegilkennd, en önnur voru allt frá mjólkurkenndum ((331), (510)) til dauflegra ((110), (111)). Sléttustu yfirborðin (sem sýndu fínustu örbyggingu) fengust á (100)2° af og (995) undirlögum. Athyglisvert er að öll lögin voru sprungulaus eftir kælingu, þar á meðal 3C-SiC(111) sem er dæmigert fyrir spennu. Takmörkuð sýnisstærð kann að hafa komið í veg fyrir sprungur, þó að sum sýni sýndu beygju (30-60 μm sveigju frá miðju að brún) sem hægt var að greina með ljósasmásjá við 1000× stækkun vegna uppsafnaðs hitaspennu. Mjög bogin lög sem ræktuð voru á Si(111), (211 og (553) undirlögum sýndu íhvolfa lögun sem benti til togálags, sem krefst frekari tilrauna- og fræðilegrar vinnu til að tengja við kristalfræðilega stefnu.
Mynd 1 sýnir samantekt á niðurstöðum XRD og AFM (skönnun við 20×20 μ m2) úr 3C-SC lögunum sem ræktuð voru á Si undirlögum með mismunandi stefnum.
Myndir úr atómkraftssmásjá (AFM) (mynd 2) staðfestu sjónrænar athuganir. Rót-meðaltals-kvaðrat gildi (RMS) staðfestu sléttustu yfirborðin á (100)2° utan og (995) undirlögum, með kornkenndum uppbyggingum með 400-800 nm hliðarvídd. Lagið sem (110) var ræktað var grófast, en ílangar og/eða samsíða lögun með einstaka skörpum mörkum birtust í öðrum stefnumörkunum ((331), (510)). Röntgengeislun (XRD) θ-2θ skannanir (samantekt í töflu 1) sýndu vel heppnaða heteróþekjumyndun fyrir undirlög með lægri Miller-vísitölu, nema fyrir Si(110) sem sýndi blandaða 3C-SiC(111) og (110) tinda sem benda til fjölkristöllunar. Þessi stefnublöndun hefur áður verið greint frá fyrir Si(110), þó að sumar rannsóknir hafi eingöngu sýnt (111)-stefnt 3C-SiC, sem bendir til þess að hagræðing vaxtarskilyrða sé mikilvæg. Fyrir Miller-vísitölur ≥5 ((510), (553), (995)) greindust engir XRD-toppar í hefðbundinni θ-2θ stillingu þar sem þessir fletir með háan vísitölu eru ekki með dreifingu í þessari rúmfræði. Fjarvera 3C-SiC-tinda með lágan vísitölu (t.d. (111), (200)) bendir til einkristallavaxtar, sem krefst þess að sýnið hallist til að greina dreifingu frá fletum með lágan vísitölu.
Mynd 2 sýnir útreikning á flatarhorni innan CFC kristalbyggingarinnar.
Útreiknuð kristallafræðileg horn milli flata með háan og lágan vísitölu (Tafla 2) sýndu miklar rangfærslur (>10°), sem skýrir fjarveru þeirra í stöðluðum θ-2θ skannunum. Pólmyndagreining var því framkvæmd á (995)-stilltu sýni vegna óvenjulegrar kornlaga formgerðar þess (hugsanlega frá súlulaga vexti eða tvíburamyndun) og lítillar ójöfnu. (111) pólmyndirnar (Mynd 3) frá Si undirlagi og 3C-SiC laginu voru næstum eins, sem staðfestir epitaxískan vöxt án tvíburamyndunar. Miðlægi bletturinn birtist við χ≈15°, sem samsvarar fræðilega (111)-(995) horninu. Þrír samhverfujafngildir blettir birtust á væntanlegum stöðum (χ=56,2°/φ=269,4°, χ=79°/φ=146,7° og 33,6°), þó að óvæntur veikur blettur við χ=62°/φ=93,3° krefst frekari rannsókna. Kristallaeiginleikarnir, metnir með punktbreidd í φ-skannunum, virðast lofa góðu, þó að mælingar á vaggkúrfum séu nauðsynlegar til magngreiningar. Pólmyndir fyrir sýnin (510) og (553) eru enn ófrágengnar til að staðfesta áætlaðan epitaxial eðli þeirra.
Mynd 3 sýnir XRD toppmynd sem skráð var á (995) stefndu sýni, sem sýnir (111) fleti Si undirlagsins (a) og 3C-SiC lagsins (b).
4. Niðurstaða
Heteróepitaxial 3C-SiC vöxtur tókst á flestum Si stefnumörkunum nema (110), sem gaf fjölkristallað efni. Si(100)2° utan og (995) undirlag framleiddu sléttustu lögin (RMS <1 nm), en (111), (211) og (553) sýndu verulega beygju (30-60 μm). Undirlag með háan vísitölu krefst háþróaðrar XRD einkenningar (t.d. pólmynda) til að staðfesta epitaxíu vegna fjarverandi θ-2θ tinda. Áframhaldandi vinna felur í sér mælingar á vaggunarkúrfum, Raman spennugreiningu og útvíkkun í fleiri stefnur með háan vísitölu til að ljúka þessari könnunarrannsókn.
Sem lóðrétt samþættur framleiðandi býður XKH upp á faglega sérsniðna vinnsluþjónustu með alhliða úrvali af kísilkarbíð undirlögum, þar á meðal staðlaðar og sérhæfðar gerðir, þar á meðal 4H/6H-N, 4H-Semi, 4H/6H-P og 3C-SiC, fáanlegar í þvermál frá 2 tommu upp í 12 tommur. Alhliða sérþekking okkar í kristalvöxt, nákvæmri vinnslu og gæðaeftirliti tryggir sérsniðnar lausnir fyrir aflraftækni, RF og ný forrit.
Birtingartími: 8. ágúst 2025