1. Inleiding
Ondanks tientallen jaren van onderzoek heeft hetero-epitaxiale 3C-SiC, gekweekt op siliciumsubstraten, nog niet voldoende kristalkwaliteit bereikt voor industriële elektronische toepassingen. Groei vindt doorgaans plaats op Si(100)- of Si(111)-substraten, die elk hun eigen uitdagingen met zich meebrengen: antifasedomeinen voor (100) en scheurvorming voor (111). Hoewel [111]-georiënteerde films veelbelovende eigenschappen vertonen, zoals een lagere defectdichtheid, verbeterde oppervlaktemorfologie en lagere spanning, blijven alternatieve oriëntaties zoals (110) en (211) onderbelicht. Bestaande gegevens suggereren dat optimale groeiomstandigheden oriëntatiespecifiek kunnen zijn, wat systematisch onderzoek compliceert. Met name het gebruik van Si-substraten met een hogere Miller-index (bijv. (311), (510)) voor 3C-SiC-heteroepitaxie is nog nooit gerapporteerd, wat aanzienlijke ruimte laat voor verkennend onderzoek naar oriëntatieafhankelijke groeimechanismen.
2. Experimenteel
De 3C-SiC-lagen werden afgezet via chemische dampdepositie (CVD) onder atmosferische druk met behulp van SiH4/C3H8/H2-precursorgassen. De substraten waren 1 cm² Si-wafers met verschillende oriëntaties: (100), (111), (110), (211), (311), (331), (510), (553) en (995). Alle substraten waren on-axis, behalve (100), waar 2° off-cut wafers aanvullend werden getest. Reiniging vóór de groei omvatte ultrasoon ontvetten in methanol. Het groeiprotocol omvatte de verwijdering van natuurlijk oxide door middel van H₂-gloeien bij 1000 °C, gevolgd door een standaard tweestapsproces: 10 minuten carbureren bij 1165 °C met 12 sccm C₂H₂, gevolgd door 60 minuten epitaxie bij 1350 °C (C/Si-verhouding = 4) met 1,5 sccm SiH₂ en 2 sccm C₂H₂. Elke groeirun omvatte vier tot vijf verschillende Si-oriëntaties, met ten minste één (100) referentiewafer.
3. Resultaten en discussie
De morfologie van 3C-SiC-lagen gegroeid op diverse Si-substraten (Fig. 1) vertoonde duidelijke oppervlaktekenmerken en ruwheid. Visueel zagen monsters gegroeid op Si(100), (211), (311), (553) en (995) er spiegelend uit, terwijl andere varieerden van melkachtig ((331), (510)) tot dof ((110), (111)). De gladste oppervlakken (met de fijnste microstructuur) werden verkregen op (100)2° off en (995) substraten. Opmerkelijk genoeg bleven alle lagen scheurvrij na afkoeling, inclusief het doorgaans spanningsgevoelige 3C-SiC(111). De beperkte monstergrootte heeft mogelijk scheurvorming voorkomen, hoewel sommige monsters kromming (30-60 μm afbuiging van midden naar rand) vertoonden, die zichtbaar was onder optische microscopie bij een vergroting van 1000× als gevolg van opgebouwde thermische spanning. Sterk gebogen lagen gegroeid op Si(111), (211) en (553) substraten vertoonden concave vormen die wijzen op trekspanning, waardoor er meer experimenteel en theoretisch werk nodig is om de correlatie met de kristallografische oriëntatie te bepalen.
Figuur 1 vat de XRD- en AFM-resultaten (scannen op 20×20 μ m2) samen van de 3C-SC-lagen die zijn gegroeid op Si-substraten met verschillende oriëntaties.
Atomairekrachtmicroscopie (AFM)-beelden (fig. 2) bevestigden optische waarnemingen. RMS-waarden (root-mean-square) bevestigden de gladste oppervlakken op (100)2° off- en (995)-substraten, met korrelachtige structuren met laterale dimensies van 400-800 nm. De (110)-gegroeide laag was het ruwst, terwijl langwerpige en/of parallelle structuren met af en toe scherpe randen verschenen in andere oriëntaties ((331), (510)). Röntgendiffractie (XRD) θ-2θ-scans (samengevat in tabel 1) lieten succesvolle hetero-epitaxie zien voor substraten met een lagere Miller-index, behalve voor Si(110) dat gemengde 3C-SiC(111)- en (110)-pieken vertoonde, wat duidde op polykristalliniteit. Deze oriëntatiemenging is eerder gerapporteerd voor Si(110), hoewel sommige studies exclusief (111)-georiënteerd 3C-SiC observeerden, wat suggereert dat optimalisatie van de groeiomstandigheden cruciaal is. Voor Miller-indices ≥ 5 ((510), (553), (995)) werden geen XRD-pieken gedetecteerd in de standaard θ-2θ-configuratie, aangezien deze vlakken met hoge index in deze geometrie niet-diffracterend zijn. De afwezigheid van 3C-SiC-pieken met lage index (bijv. (111), (200)) duidt op monokristallijne groei, waarvoor kanteling van het monster nodig is om diffractie van vlakken met lage index te detecteren.
Figuur 2 toont de berekening van de vlakhoek binnen de CFC-kristalstructuur.
De berekende kristallografische hoeken tussen vlakken met een hoge en lage index (tabel 2) vertoonden grote misoriëntaties (> 10°), wat hun afwezigheid in standaard θ-2θ-scans verklaart. Daarom werd een poolfiguuranalyse uitgevoerd op het (995)-georiënteerde monster vanwege de ongebruikelijke korrelmorfologie (mogelijk door kolomgroei of tweelingvorming) en de lage ruwheid. De (111)-poolfiguren (fig. 3) van het Si-substraat en de 3C-SiC-laag waren vrijwel identiek, wat epitaxiale groei zonder tweelingvorming bevestigt. De centrale vlek verscheen bij χ≈15°, wat overeenkomt met de theoretische (111)-(995)-hoek. Drie symmetrie-equivalente vlekken verschenen op de verwachte posities (χ=56,2°/φ=269,4°, χ=79°/φ=146,7° en 33,6°), hoewel een onvoorziene zwakke plek bij χ=62°/φ=93,3° nader onderzoek vereist. De kristalkwaliteit, beoordeeld via de vlekbreedte in φ-scans, lijkt veelbelovend, hoewel metingen van de rocking curve nodig zijn voor kwantificering. Poolcijfers voor de monsters (510) en (553) moeten nog worden voltooid om hun veronderstelde epitaxiale aard te bevestigen.
Figuur 3 toont het XRD-piekdiagram dat is opgenomen op het (995) georiënteerde monster, dat de (111)-vlakken van het Si-substraat (a) en de 3C-SiC-laag (b) weergeeft.
4. Conclusie
Heteroepitaxiale 3C-SiC-groei slaagde in de meeste Si-oriëntaties, behalve (110), wat polykristallijn materiaal opleverde. Si(100)2° off en (995) substraten produceerden de gladste lagen (RMS <1 nm), terwijl (111), (211) en (553) significante buiging (30-60 μm) vertoonden. Substraten met een hoge index vereisen geavanceerde XRD-karakterisering (bijv. poolfiguren) om epitaxie te bevestigen vanwege ontbrekende θ-2θ-pieken. Lopend werk omvat rocking curve-metingen, Raman-spanningsanalyse en uitbreiding naar aanvullende oriëntaties met een hoge index om deze verkennende studie te voltooien.
Als verticaal geïntegreerde fabrikant biedt XKH professionele, op maat gemaakte verwerkingsdiensten met een uitgebreid portfolio siliciumcarbidesubstraten, met standaard en gespecialiseerde types zoals 4H/6H-N, 4H-Semi, 4H/6H-P en 3C-SiC, verkrijgbaar in diameters van 2 tot 12 inch. Onze end-to-end expertise in kristalgroei, precisiebewerking en kwaliteitsborging garandeert oplossingen op maat voor vermogenselektronica, RF en opkomende toepassingen.
Plaatsingstijd: 08-08-2025