1. Introdución
Malia décadas de investigación, o 3C-SiC heteroepitaxial cultivado en substratos de silicio aínda non alcanzou unha calidade cristalina suficiente para aplicacións electrónicas industriais. O crecemento realízase normalmente en substratos de Si(100) ou Si(111), e cada un presenta desafíos distintos: dominios antifase para (100) e rachaduras para (111). Aínda que as películas orientadas a [111] presentan características prometedoras, como unha densidade de defectos reducida, unha morfoloxía superficial mellorada e unha menor tensión, as orientacións alternativas como (110) e (211) seguen sen estar suficientemente estudadas. Os datos existentes suxiren que as condicións óptimas de crecemento poden ser específicas da orientación, o que complica a investigación sistemática. En particular, nunca se informou do uso de substratos de Si con índice de Miller máis alto (por exemplo, (311), (510)) para a heteroepitaxialidade 3C-SiC, o que deixa un espazo significativo para a investigación exploratoria sobre os mecanismos de crecemento dependentes da orientación.
2. Experimental
As capas de 3C-SiC depositáronse mediante deposición química de vapor (CVD) a presión atmosférica utilizando gases precursores de SiH4/C3H8/H2. Os substratos eran obleas de Si de 1 cm² con varias orientacións: (100), (111), (110), (211), (311), (331), (510), (553) e (995). Todos os substratos estaban no eixo excepto o (100), onde se probaron adicionalmente obleas cortadas a 2°. A limpeza previa ao crecemento implicou desengraxamento ultrasónico en metanol. O protocolo de crecemento comprendiu a eliminación de óxido nativo mediante recocido de H2 a 1000 °C, seguido dun proceso estándar de dous pasos: carburación durante 10 minutos a 1165 °C con 12 sccm de C3H8, despois epitaxia durante 60 minutos a 1350 °C (relación C/Si = 4) utilizando 1,5 sccm de SiH4 e 2 sccm de C3H8. Cada execución de crecemento incluíu de catro a cinco orientacións diferentes de Si, con polo menos unha oblea de referencia (100).
3. Resultados e debate
A morfoloxía das capas de 3C-SiC cultivadas en varios substratos de Si (Fig. 1) mostrou características superficiais e rugosidade distintas. Visualmente, as mostras cultivadas en Si(100), (211), (311), (553) e (995) tiñan un aspecto especular, mentres que outras variaban de leitosas ((331), (510)) a opacas ((110), (111)). As superficies máis lisas (que mostran a microestrutura máis fina) obtivéronse en substratos (100)2° off e (995). Sorprendentemente, todas as capas permaneceron libres de gretas despois do arrefriamento, incluído o 3C-SiC(111), tipicamente propenso a tensións. O tamaño limitado da mostra pode ter evitado as gretas, aínda que algunhas mostras mostraron unha curvatura (deflexión de 30-60 μm do centro ao bordo) detectable baixo microscopía óptica a un aumento de 1000× debido á tensión térmica acumulada. As capas moi curvadas cultivadas en substratos de Si(111), (211) e (553) mostraron formas cóncavas que indican deformación por tracción, o que require máis traballo experimental e teórico para correlacionar coa orientación cristalográfica.
A figura 1 resume os resultados de XRD e AFM (difusión a 20×20 μ m2) das capas de 3C-SC cultivadas sobre substratos de Si con diferentes orientacións.
As imaxes de microscopía de forza atómica (AFM) (Fig. 2) corroboraron as observacións ópticas. Os valores da raíz cuadrática media (RMS) confirmaron as superficies máis lisas nos substratos (100)2° off e (995), con estruturas semellantes a grans con dimensións laterais de 400-800 nm. A capa cultivada con (110) foi a máis rugosa, mentres que as características alongadas e/ou paralelas con límites nítidos ocasionais apareceron noutras orientacións ((331), (510)). As exploracións de difracción de raios X (XRD) θ-2θ (resumidas na Táboa 1) revelaron unha heteroepitaxia exitosa para substratos de índice de Miller máis baixo, agás para Si(110) que mostrou picos mesturados de 3C-SiC(111) e (110) que indican policristalinidade. Esta mestura de orientacións xa se informou previamente para Si(110), aínda que algúns estudos observaron 3C-SiC orientado exclusivamente a (111), o que suxire que a optimización das condicións de crecemento é fundamental. Para índices de Miller ≥5 ((510), (553), (995)), non se detectaron picos de XRD na configuración estándar de θ-2θ, xa que estes planos de alto índice non difractan nesta xeometría. A ausencia de picos de 3C-SiC de baixo índice (por exemplo, (111), (200)) suxire un crecemento monocristalino, o que require a inclinación da mostra para detectar a difracción dos planos de baixo índice.
A figura 2 mostra o cálculo do ángulo do plano dentro da estrutura cristalina de CFC.
Os ángulos cristalográficos calculados entre os planos de índice alto e baixo (Táboa 2) mostraron grandes desorientacións (>10°), o que explica a súa ausencia nos escaneos estándar de θ-2θ. Polo tanto, realizouse unha análise da figura polar na mostra orientada a (995) debido á súa morfoloxía granular inusual (potencialmente por crecemento columnar ou maclamento) e baixa rugosidade. As figuras polares (111) (Fig. 3) do substrato de Si e da capa de 3C-SiC foron case idénticas, o que confirma o crecemento epitaxial sen maclamento. A mancha central apareceu a χ≈15°, coincidindo co ángulo teórico (111)-(995). Apareceron tres manchas de simetría equivalente nas posicións esperadas (χ=56,2°/φ=269,4°, χ=79°/φ=146,7° e 33,6°), aínda que unha mancha débil imprevista a χ=62°/φ=93,3° require máis investigación. A calidade cristalina, avaliada mediante a anchura do punto en exploracións φ, semella prometedora, aínda que se necesitan medicións da curva de oscilación para a cuantificación. As figuras dos polos para as mostras (510) e (553) aínda están por completar para confirmar a súa presunta natureza epitaxial.
A figura 3 mostra o diagrama de picos de XRD rexistrado na mostra orientada (995), que mostra os planos (111) do substrato de Si (a) e da capa 3C-SiC (b).
4. Conclusión
O crecemento heteroepitaxial de 3C-SiC tivo éxito na maioría das orientacións de Si agás (110), que produciu material policristalino. Os substratos de Si(100)2° off e (995) produciron as capas máis lisas (RMS <1 nm), mentres que (111), (211) e (553) mostraron unha curvatura significativa (30-60 μm). Os substratos de alto índice requiren unha caracterización avanzada de XRD (por exemplo, figuras polares) para confirmar a epitaxia debido á ausencia de picos θ-2θ. O traballo en curso inclúe medicións da curva de oscilación, análise de tensión Raman e a expansión a orientacións adicionais de alto índice para completar este estudo exploratorio.
Como fabricante integrado verticalmente, XKH ofrece servizos profesionais de procesamento personalizados cunha ampla carteira de substratos de carburo de silicio, ofrecendo tipos estándar e especializados, incluíndo 4H/6H-N, 4H-Semi, 4H/6H-P e 3C-SiC, dispoñibles en diámetros de 2 polgadas a 12 polgadas. A nosa experiencia integral en crecemento de cristais, mecanizado de precisión e garantía de calidade garante solucións personalizadas para electrónica de potencia, RF e aplicacións emerxentes.
Data de publicación: 08-08-2025