1. Giới thiệu
Mặc dù đã có hàng thập kỷ nghiên cứu, việc nuôi cấy dị hướng 3C-SiC trên chất nền silicon vẫn chưa đạt được chất lượng tinh thể đủ tốt cho các ứng dụng điện tử công nghiệp. Quá trình nuôi cấy thường được thực hiện trên chất nền Si(100) hoặc Si(111), mỗi chất nền đều có những thách thức riêng: các miền phản pha đối với (100) và nứt vỡ đối với (111). Trong khi các màng định hướng [111] thể hiện các đặc tính đầy hứa hẹn như mật độ khuyết tật giảm, hình thái bề mặt được cải thiện và ứng suất thấp hơn, các định hướng khác như (110) và (211) vẫn chưa được nghiên cứu đầy đủ. Dữ liệu hiện có cho thấy các điều kiện nuôi cấy tối ưu có thể phụ thuộc vào định hướng, làm phức tạp việc nghiên cứu có hệ thống. Đáng chú ý, việc sử dụng chất nền Si có chỉ số Miller cao hơn (ví dụ: (311), (510)) cho quá trình nuôi cấy dị hướng 3C-SiC chưa từng được báo cáo, tạo ra nhiều dư địa cho nghiên cứu thăm dò về cơ chế nuôi cấy phụ thuộc vào định hướng.
2. Thực nghiệm
Các lớp 3C-SiC được lắng đọng bằng phương pháp lắng đọng hơi hóa học áp suất khí quyển (CVD) sử dụng khí tiền chất SiH4/C3H8/H2. Các chất nền là các tấm wafer Si 1 cm² với các hướng khác nhau: (100), (111), (110), (211), (311), (331), (510), (553) và (995). Tất cả các chất nền đều nằm trên trục ngoại trừ (100), trong đó các tấm wafer lệch trục 2° được thử nghiệm thêm. Quá trình làm sạch trước khi tăng trưởng bao gồm tẩy dầu mỡ bằng sóng siêu âm trong methanol. Quy trình tăng trưởng bao gồm loại bỏ lớp oxit tự nhiên bằng cách ủ H2 ở 1000°C, tiếp theo là quy trình hai bước tiêu chuẩn: cacbon hóa trong 10 phút ở 1165°C với 12 sccm C3H8, sau đó là quá trình epitaxy trong 60 phút ở 1350°C (tỷ lệ C/Si = 4) sử dụng 1,5 sccm SiH4 và 2 sccm C3H8. Mỗi lần chạy tăng trưởng bao gồm bốn đến năm hướng Si khác nhau, với ít nhất một tấm wafer tham chiếu (100).
3. Kết quả và thảo luận
Hình thái của các lớp 3C-SiC được nuôi cấy trên các chất nền Si khác nhau (Hình 1) cho thấy các đặc điểm bề mặt và độ nhám khác biệt. Quan sát bằng mắt thường, các mẫu được nuôi cấy trên Si(100), (211), (311), (553) và (995) có bề mặt bóng như gương, trong khi các mẫu khác có bề mặt từ mờ đục ((331), (510)) đến nhám ((110), (111)). Bề mặt mịn nhất (thể hiện cấu trúc vi mô tốt nhất) thu được trên chất nền (100)2° và (995). Đáng chú ý, tất cả các lớp đều không bị nứt sau khi làm nguội, kể cả 3C-SiC(111) thường dễ bị ứng suất. Kích thước mẫu hạn chế có thể đã ngăn ngừa hiện tượng nứt, mặc dù một số mẫu thể hiện hiện tượng cong vênh (độ lệch 30-60 μm từ tâm đến rìa) có thể phát hiện được dưới kính hiển vi quang học ở độ phóng đại 1000× do ứng suất nhiệt tích lũy. Các lớp uốn cong mạnh được nuôi cấy trên chất nền Si(111), (211) và (553) hiển thị hình dạng lõm cho thấy ứng suất kéo, đòi hỏi phải có thêm nghiên cứu thực nghiệm và lý thuyết để tương quan với định hướng tinh thể học.
Hình 1 tóm tắt các kết quả XRD và AFM (quét ở 20×20 μm2) của các lớp 3C-SC được nuôi cấy trên chất nền Si với các hướng khác nhau.
Hình ảnh hiển vi lực nguyên tử (AFM) (Hình 2) đã xác nhận các quan sát quang học. Giá trị căn bậc hai trung bình (RMS) xác nhận bề mặt mịn nhất trên chất nền (100)2° và (995), có cấu trúc dạng hạt với kích thước ngang từ 400-800 nm. Lớp được nuôi cấy trên (110) có bề mặt gồ ghề nhất, trong khi các đặc điểm kéo dài và/hoặc song song với ranh giới sắc nét thỉnh thoảng xuất hiện ở các hướng khác ((331), (510)). Quét nhiễu xạ tia X (XRD) θ-2θ (được tóm tắt trong Bảng 1) cho thấy quá trình dị epitaxy thành công đối với chất nền có chỉ số Miller thấp hơn, ngoại trừ Si(110) cho thấy các đỉnh 3C-SiC(111) và (110) hỗn hợp, cho thấy tính đa tinh thể. Sự pha trộn hướng này đã được báo cáo trước đây đối với Si(110), mặc dù một số nghiên cứu quan sát thấy 3C-SiC định hướng (111) độc quyền, cho thấy việc tối ưu hóa điều kiện tăng trưởng là rất quan trọng. Đối với chỉ số Miller ≥5 ((510), (553), (995)), không có đỉnh XRD nào được phát hiện trong cấu hình θ-2θ tiêu chuẩn vì các mặt phẳng có chỉ số cao này không nhiễu xạ trong hình học này. Sự vắng mặt của các đỉnh 3C-SiC có 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 có chỉ số thấp.
Hình 2 thể hiện cách tính góc mặt phẳng trong cấu trúc tinh thể CFC.
Các góc tinh thể học được tính toán giữa các mặt phẳng có chỉ số cao và chỉ số thấp (Bảng 2) cho thấy độ lệch hướng lớn (>10°), giải thích sự vắng mặt của chúng trong các phép quét θ-2θ tiêu chuẩn. Do đó, phân tích hình chiếu cực được tiến hành trên mẫu định hướng (995) do hình thái hạt bất thường của nó (có thể do sự phát triển dạng cột hoặc song tinh) và độ nhám thấp. Hình chiếu cực (111) (Hình 3) từ chất nền Si và lớp 3C-SiC gần như giống hệt nhau, xác nhận sự phát triển epitaxy mà không có song tinh. Điểm trung tâm xuất hiện ở χ≈15°, phù hợp với góc (111)-(995) lý thuyết. Ba điểm tương đương về 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 được dự đoán ở χ=62°/φ=93,3° cần được nghiên cứu thêm. Chất lượng tinh thể, được đánh giá thông qua độ rộng điểm trong phép quét φ, có vẻ đầy hứa hẹn, mặc dù cần có các phép đo đường cong dao động để định lượng. Các hình chiếu cực cho các mẫu (510) và (553) vẫn cần được hoàn thiện để xác nhận bản chất epitaxy được cho là của chúng.
Hình 3 hiển thị biểu đồ đỉnh XRD được ghi lại trên mẫu định hướng (995), cho thấy các mặt phẳng (111) của chất nền Si (a) và lớp 3C-SiC (b).
4. Kết luận
Quá trình tăng trưởng dị hướng 3C-SiC đã thành công trên hầu hết các hướng Si ngoại trừ (110), tạo ra vật liệu đa tinh thể. Các chất nền Si(100)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 chất nền có chỉ số cao yêu cầu phân tích XRD nâng cao (ví dụ: biểu đồ cực) để xác nhận sự kết tinh do không có đỉnh θ-2θ. Công việc đang được tiến hành bao gồm đo đường cong dao động, phân tích ứng suất Raman và mở rộng sang các hướng có chỉ số cao khác để hoàn thành nghiên cứu thăm dò này.
Là một nhà sản xuất tích hợp theo chiều dọc, XKH cung cấp các dịch vụ gia công tùy chỉnh chuyên nghiệp với danh mục sản phẩm toàn diện gồm các chất nền silicon carbide, cung cấp các loại tiêu chuẩn và chuyên dụng như 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 trong nuôi cấy tinh thể, gia công chính xác và đảm bảo chất lượng đảm bảo các giải pháp phù hợp cho điện tử công suất, tần số vô tuyến (RF) và các ứng dụng mới nổi.
Thời gian đăng bài: 08/08/2025