1. Inleiding
Ondanks decennia van onderzoek heeft hetero-epitaxiaal 3C-SiC, gegroeid op siliciumsubstraten, nog geen 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, een verbeterde oppervlaktemorfologie en een lagere spanning, blijven alternatieve oriëntaties zoals (110) en (211) onderbelicht. Bestaande gegevens suggereren dat optimale groeiomstandigheden oriëntatiespecifiek kunnen zijn, wat systematisch onderzoek bemoeilijkt. Opvallend is dat het gebruik van Si-substraten met een hogere Miller-index (bijv. (311), (510)) voor 3C-SiC-hetero-epitaxie nog nooit is gerapporteerd, waardoor er nog veel ruimte is voor verkennend onderzoek naar oriëntatie-afhankelijke groeimechanismen.
2. Experimenteel
De 3C-SiC-lagen werden afgezet via chemische dampafzetting (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 ook wafers met een afwijking van 2° werden getest. De reiniging vóór de groei bestond uit ultrasoon ontvetten in methanol. Het groeiprotocol omvatte het verwijderen van de natuurlijke oxidehuid door middel van H2-gloeien bij 1000 °C, gevolgd door een standaard tweestaps proces: carburisatie gedurende 10 minuten bij 1165 °C met 12 sccm C3H8, en vervolgens epitaxie gedurende 60 minuten bij 1350 °C (C/Si-verhouding = 4) met 1,5 sccm SiH4 en 2 sccm C3H8. 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 die op verschillende Si-substraten zijn gegroeid (Fig. 1) vertoonde duidelijke oppervlaktekenmerken en ruwheid. Visueel leken monsters die op Si(100), (211), (311), (553) en (995) waren gegroeid spiegelglad, 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 is dat alle lagen na afkoeling scheurvrij bleven, inclusief het doorgaans spanningsgevoelige 3C-SiC(111). De beperkte monstergrootte heeft mogelijk scheurvorming voorkomen, hoewel sommige monsters een lichte kromming vertoonden (30-60 μm doorbuiging van het midden naar de rand), detecteerbaar onder een optische microscoop bij een vergroting van 1000×, als gevolg van opgebouwde thermische spanning. Sterk gebogen lagen die gegroeid zijn op Si(111), (211) en (553) substraten vertoonden concave vormen die duiden op trekspanning, wat verder experimenteel en theoretisch onderzoek vereist om een verband te leggen met de kristallografische oriëntatie.
Figuur 1 vat de XRD- en AFM-resultaten (scannen op 20×20 μm2) samen van de 3C-SC-lagen die op Si-substraten met verschillende oriëntaties zijn gegroeid.
Atoomkrachtmicroscopie (AFM)-beelden (Fig. 2) bevestigden de optische waarnemingen. De wortelgemiddelde kwadraatwaarden (RMS) bevestigden de gladste oppervlakken op (100)2° off- en (995)-substraten, met korrelachtige structuren met laterale afmetingen van 400-800 nm. De op (110) gegroeide laag was het ruwst, terwijl langwerpige en/of parallelle structuren met af en toe scherpe grenzen verschenen in andere oriëntaties ((331), (510)). Röntgen diffractie (XRD) θ-2θ-scans (samengevat in Tabel 1) onthulden succesvolle hetero-epitaxie voor substraten met een lagere Miller-index, met uitzondering van Si(110), dat gemengde 3C-SiC(111)- en (110)-pieken vertoonde, wat duidt op polykristalliniteit. Deze oriëntatievermenging is eerder gerapporteerd voor Si(110), hoewel sommige studies uitsluitend (111)-georiënteerd 3C-SiC waarnamen, 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 diffracteren. De afwezigheid van pieken van 3C-SiC met lage index (bijv. (111), (200)) duidt op eenkristallijne groei, waardoor 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 hoge en lage index (Tabel 2) vertoonden grote misoriëntaties (>10°), wat hun afwezigheid in standaard θ-2θ-scans verklaart. Vanwege de ongebruikelijke korrelige morfologie (mogelijk veroorzaakt door kolomvormige groei of tweelingvorming) en de lage ruwheid werd daarom poolfiguuranalyse uitgevoerd op het (995)-georiënteerde monster. 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°, overeenkomend met de theoretische (111)-(995)-hoek. Drie symmetrisch equivalente vlekken verschenen op de verwachte posities (χ=56,2°/φ=269,4°, χ=79°/φ=146,7° en 33,6°), hoewel een onverwachte zwakke plek bij χ=62°/φ=93,3° nader onderzoek vereist. De kristallijne kwaliteit, beoordeeld aan de hand van de vlekbreedte in φ-scans, lijkt veelbelovend, hoewel rocking curve-metingen nodig zijn voor kwantificering. Poolfiguren voor de (510)- en (553)-monsters 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, waarop de (111)-vlakken van het Si-substraat (a) en de 3C-SiC-laag (b) te zien zijn.
4. Conclusie
Hetero-epitaxiale 3C-SiC-groei is succesvol verlopen op de meeste Si-oriëntaties, met uitzondering van (110), waar polykristallijn materiaal werd verkregen. Si(100)2° off en (995) substraten produceerden de gladste lagen (RMS <1 nm), terwijl (111), (211) en (553) een aanzienlijke kromming vertoonden (30-60 μm). Substraten met een hoge index vereisen geavanceerde XRD-karakterisering (bijv. poolfiguren) om epitaxie te bevestigen vanwege de afwezigheid van θ-2θ-pieken. Lopende werkzaamheden omvatten rocking curve-metingen, Raman-spanningsanalyse en uitbreiding naar andere 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 aan siliciumcarbidesubstraten. We bieden standaard en gespecialiseerde typen aan, waaronder 4H/6H-N, 4H-Semi, 4H/6H-P en 3C-SiC, verkrijgbaar in diameters van 2 tot 12 inch. Onze expertise in kristalgroei, precisiebewerking en kwaliteitsborging garandeert oplossingen op maat voor vermogenselektronica, RF en opkomende toepassingen.
Geplaatst op: 8 augustus 2025