1. Giới thiệu
Mặc dù đã trải qua nhiều thập kỷ nghiên cứu, 3C-SiC heteroepitaxial được phát triển trên nền silicon vẫn chưa đạt được chất lượng tinh thể đủ cho các ứng dụng điện tử công nghiệp. Sự phát triển thường được thực hiện trên nền Si(100) hoặc Si(111), mỗi nền đều có những thách thức riêng: miền pha đối diện với (100) và nứt với (111). Trong khi các màng định hướng [111] thể hiện các đặc điểm đầy hứa hẹn như mật độ khuyết tật giảm, hình thái bề mặt được cải thiện và ứng suất thấp hơn, thì các định hướng thay thế như (110) và (211) vẫn chưa được nghiên cứu đầy đủ. Dữ liệu hiện có cho thấy rằng các điều kiện phát triển tối ưu có thể là đặc trưng cho từng định hướng, làm phức tạp quá trình nghiên cứu có hệ thống. Đáng chú ý là việc sử dụng các nền Si có chỉ số Miller cao hơn (ví dụ: (311), (510)) cho heteroepitaxy 3C-SiC chưa bao giờ được báo cáo, tạo ra nhiều không gian cho nghiên cứu khám phá về các cơ chế phát triển phụ thuộc vào định hướng.
2. Thực nghiệm
Các lớp 3C-SiC được lắng đọng bằng phương pháp lắng đọng hơi hóa học ở áp suất khí quyển (CVD) sử dụng khí tiền thân SiH4/C3H8/H2. Các đế là các tấm wafer Si 1 cm² với nhiều hướng khác nhau: (100), (111), (110), (211), (311), (331), (510), (553) và (995). Tất cả các đế đều nằm trên trục, ngoại trừ (100), nơi các tấm wafer cắt rời 2° được thử nghiệm bổ sung. Quá trình làm sạch trước khi phát triển bao gồm tẩy dầu mỡ siêu âm trong methanol. Quy trình phát triển bao gồm loại bỏ oxit tự nhiên thông qua ủ H2 ở 1000°C, tiếp theo là quy trình hai bước tiêu chuẩn: thấm cacbon trong 10 phút ở 1165°C với 12 sccm C3H8, sau đó epitaxy trong 60 phút ở 1350°C (tỷ lệ C/Si = 4) sử dụng 1,5 sccm SiH4 và 2 sccm C3H8. Mỗi chu trình phát triển bao gồm bốn đến năm hướng Si khác nhau, với ít nhất một (100) wafer tham chiếu.
3. Kết quả và thảo luận
Hình thái của các lớp 3C-SiC phát triển trên nhiều nền Si khác nhau (Hình 1) cho thấy các đặc điểm bề mặt và độ nhám riêng biệt. Về mặt trực quan, các mẫu phát triển trên Si(100), (211), (311), (553) và (995) trông giống như gương, trong khi các mẫu khác có màu từ trắng sữa ((331), (510)) đến xỉn màu ((110), (111)). Các bề mặt nhẵn nhất (cho thấy cấu trúc vi mô mịn nhất) thu được trên các nền (100)2° lệch và (995). Đáng chú ý là tất cả các lớp vẫn không bị nứt sau khi làm nguội, bao gồm cả 3C-SiC(111) thường dễ bị ứng suất. Kích thước mẫu hạn chế có thể đã ngăn ngừa nứt, mặc dù một số mẫu biểu hiện hiện tượng cong vênh (độ lệch 30-60 μm từ tâm ra mép) có thể phát hiện được dưới kính hiển vi quang học ở độ phóng đại 1000 lần do ứng suất nhiệt tích tụ. Các lớp cong nhiều được phát triển trên các chất nền Si(111), (211) và (553) hiển thị hình dạng lõm cho thấy độ biến dạng kéo, đòi hỏi phải có thêm công trình thực nghiệm và lý thuyết để tương quan với định hướng tinh thể.
Hình 1 tóm tắt kết quả XRD và AFM (quét ở kích thước 20×20 μ m2) của các lớp 3C-SC được phát triển trên các chất nền Si với các hướng khác nhau.
Hình ảnh kính hiển vi lực nguyên tử (AFM) (Hình 2) đã xác nhận các quan sát quang học. Giá trị căn bậc hai trung bình (RMS) đã xác nhận các bề mặt mịn nhất trên các đế (100)2° lệch và (995), có các cấu trúc giống hạt với kích thước ngang 400-800 nm. Lớp phát triển (110) là thô ráp nhất, trong khi các đặc điểm kéo dài và/hoặc song song với các ranh giới sắc nét đôi khi xuất hiện ở các hướng khác ((331), (510)). Quét nhiễu xạ tia X (XRD) θ-2θ (tóm tắt trong Bảng 1) cho thấy sự epitaxy dị thể thành công đối với các đế có chỉ số Miller thấp hơn, ngoại trừ Si(110) cho thấy các đỉnh 3C-SiC(111) và (110) hỗn hợp biểu thị đa tinh thể. Sự pha trộn định hướng này đã được báo cáo trước đây đối với Si(110), mặc dù một số nghiên cứu chỉ quan sát thấy 3C-SiC định hướng (111), cho thấy việc tối ưu hóa điều kiện phát triển là rất quan trọng. Đối với chỉ số Miller ≥5 ((510), (553), (995)), không phát hiện thấy đỉnh XRD nào trong cấu hình θ-2θ chuẩn vì các mặt phẳng chỉ số cao này không nhiễu xạ trong hình học này. Việc không có các đỉnh 3C-SiC chỉ số thấp (ví dụ: (111), (200)) cho thấy sự phát triển đơn tinh thể, đòi hỏi phải nghiêng mẫu để phát hiện nhiễu xạ từ các mặt phẳng chỉ số thấp.
Hình 2 cho thấy phép tính góc phẳng trong cấu trúc tinh thể CFC.
Các góc tinh thể học được tính toán giữa các mặt phẳng chiết suất cao và chiết suất thấp (Bảng 2) cho thấy sự lệch hướng lớn (>10°), giải thích sự vắng mặt của chúng trong các lần quét θ-2θ tiêu chuẩn. Do đó, phân tích hình cực được tiến hành trên mẫu định hướng (995) do hình thái hạt bất thường của nó (có khả năng từ sự phát triển dạng cột hoặc kết tinh) và độ nhám thấp. Các hình cực (111) (Hình 3) từ chất nền Si và lớp 3C-SiC gần như giống hệt nhau, xác nhận sự phát triển epitaxial mà không có kết tinh. Đốm trung tâm xuất hiện ở χ≈15°, khớp với góc lý thuyết (111)-(995). Ba đốm tương đương đối xứng xuất hiện ở các vị trí dự kiến (χ=56,2°/φ=269,4°, χ=79°/φ=146,7° và 33,6°), mặc dù một điểm yếu không dự đoán được ở χ=62°/φ=93,3° cần được nghiên cứu thêm. Chất lượng tinh thể, được đánh giá thông qua độ rộng điểm trong quét φ, có vẻ khả quan, mặc dù cần đo đường cong dao động để định lượng. Số liệu cực của các mẫu (510) và (553) vẫn chưa được hoàn thiện để xác nhận bản chất epitaxial được cho là của chúng.
Hình 3 cho thấy sơ đồ đỉnh XRD được ghi lại trên mẫu định hướng (995), hiển thị các mặt phẳng (111) của chất nền Si (a) và lớp 3C-SiC (b).
4. Kết luận
Sự phát triển dị pitaxial 3C-SiC thành công trên hầu hết các hướng Si, ngoại trừ (110), tạo ra vật liệu đa tinh thể. Các đế Si(100) lệch 2° và (995) tạo ra các lớp mịn nhất (RMS <1 nm), trong khi (111), (211) và (553) cho thấy độ cong đáng kể (30-60 μm). Các đế có chiết suất cao cần phân tích đặc tính XRD nâng cao (ví dụ, hình dạng cực) để xác nhận tính epitaxy do thiếu các đỉnh θ-2θ. Các công việc đang được tiến hành bao gồm đo đường cong dao động, phân tích ứng suất Raman và mở rộng sang các hướng chiết suất cao bổ sung để hoàn thành nghiên cứu thăm dò này.
Là một nhà sản xuất tích hợp theo chiều dọc, XKH cung cấp dịch vụ gia công chuyên nghiệp, tùy chỉnh với danh mục sản phẩm đa dạng về đế silicon carbide, bao gồm các loại tiêu chuẩn và chuyên dụng, bao gồm 4H/6H-N, 4H-Semi, 4H/6H-P và 3C-SiC, với đường kính từ 2 inch đến 12 inch. Chuyên môn toàn diện của chúng tôi về phát triển tinh thể, gia công chính xác và đảm bảo chất lượng đảm bảo các giải pháp phù hợp cho điện tử công suất, RF và các ứng dụng mới nổi.
Thời gian đăng: 08-08-2025