1. შესავალი
ათწლეულების განმავლობაში ჩატარებული კვლევის მიუხედავად, სილიკონის სუბსტრატებზე გაზრდილი ჰეტეროეპიტაქსიური 3C-SiC ჯერ კიდევ ვერ მიაღწია საკმარის კრისტალურ ხარისხს სამრეწველო ელექტრონული აპლიკაციებისთვის. ზრდა, როგორც წესი, ხორციელდება Si(100) ან Si(111) სუბსტრატებზე, რომელთაგან თითოეული წარმოადგენს განსხვავებულ გამოწვევებს: (100)-ისთვის ანტიფაზური დომენები და (111)-ისთვის ბზარები. მიუხედავად იმისა, რომ [111]-ორიენტირებული ფირები ავლენს პერსპექტიულ მახასიათებლებს, როგორიცაა დეფექტების სიმკვრივის შემცირება, ზედაპირის მორფოლოგიის გაუმჯობესება და დაბალი სტრესი, ალტერნატიული ორიენტაციები, როგორიცაა (110) და (211), კვლავ არასაკმარისად შესწავლილი რჩება. არსებული მონაცემები მიუთითებს, რომ ოპტიმალური ზრდის პირობები შეიძლება იყოს ორიენტაციისთვის სპეციფიკური, რაც ართულებს სისტემატურ კვლევას. აღსანიშნავია, რომ 3C-SiC ჰეტეროეპიტაქსიისთვის უფრო მაღალი მილერის ინდექსის Si სუბსტრატების (მაგ., (311), (510)) გამოყენება არასდროს ყოფილა აღწერილი, რაც მნიშვნელოვან ადგილს ტოვებს ორიენტაციაზე დამოკიდებული ზრდის მექანიზმების კვლევითი კვლევისთვის.
2. ექსპერიმენტული
3C-SiC ფენები დალექილი იქნა ატმოსფერული წნევის ქიმიური ორთქლის დეპონირების (CVD) გზით SiH4/C3H8/H2 წინამორბედი აირების გამოყენებით. სუბსტრატები წარმოადგენდა 1 სმ² Si ვაფლებს სხვადასხვა ორიენტაციით: (100), (111), (110), (211), (311), (331), (510), (553) და (995). ყველა სუბსტრატი იყო ღერძზე, გარდა (100), სადაც დამატებით შემოწმდა 2°-იანი მოცილების მქონე ვაფლები. ზრდამდელი გაწმენდა მოიცავდა ულტრაბგერით ცხიმის მოცილებას მეთანოლში. ზრდის პროტოკოლი მოიცავდა ნატიური ოქსიდის მოცილებას H2-ის გახურებით 1000°C-ზე, რასაც მოჰყვებოდა სტანდარტული ორეტაპიანი პროცესი: კარბურიზაცია 10 წუთის განმავლობაში 1165°C-ზე 12 sccm C3H8-ით, შემდეგ ეპიტაქსია 60 წუთის განმავლობაში 1350°C-ზე (C/Si თანაფარდობა = 4) 1.5 sccm SiH4-ის და 2 sccm C3H8-ის გამოყენებით. თითოეული ზრდის ცდა მოიცავდა ოთხიდან ხუთამდე განსხვავებულ Si ორიენტაციას, სულ მცირე ერთი (100) საცნობარო ვაფლით.
3. შედეგები და განხილვა
სხვადასხვა Si სუბსტრატებზე გაზრდილი 3C-SiC ფენების მორფოლოგიამ (ნახ. 1) გამოავლინა გამორჩეული ზედაპირული მახასიათებლები და უხეშობა. ვიზუალურად, Si(100), (211), (311), (553) და (995)-ზე გაზრდილი ნიმუშები სარკისებურად გამოიყურებოდა, ზოგი კი რძისფერიდან ((331), (510)) მქრქალამდე ((110), (111)) მერყეობდა. ყველაზე გლუვი ზედაპირები (რომლებიც აჩვენებდნენ უწვრილეს მიკროსტრუქტურას) მიღებული იქნა (100)2°-იანი და (995) სუბსტრატებზე. აღსანიშნავია, რომ გაგრილების შემდეგ ყველა ფენა ბზარებისგან თავისუფალი დარჩა, მათ შორის ტიპიურად დაძაბულობისადმი მიდრეკილი 3C-SiC(111). ნიმუშის შეზღუდულმა ზომამ შესაძლოა ხელი შეუშალა ბზარების წარმოქმნას, თუმცა ზოგიერთ ნიმუშს აღენიშნებოდა მოხრა (30-60 μm გადახრა ცენტრიდან კიდემდე), რომელიც შეინიშნებოდა ოპტიკური მიკროსკოპიით 1000× გადიდებით დაგროვილი თერმული სტრესის გამო. Si(111), (211) და (553) სუბსტრატებზე გაზრდილი მაღალი მოხრილი ფენები ავლენდნენ ჩაზნექილ ფორმებს, რაც მიუთითებდა დაჭიმვის დეფორმაციაზე, რაც მოითხოვდა შემდგომ ექსპერიმენტულ და თეორიულ მუშაობას კრისტალოგრაფიულ ორიენტაციასთან კორელაციისთვის.
სურათი 1 აჯამებს სხვადასხვა ორიენტაციის Si სუბსტრატებზე გაზრდილი 3C-SC ფენების XRD და AFM (სკანირება 20×20 μ m2-ზე) შედეგებს.
ატომური ძალის მიკროსკოპიის (AFM) გამოსახულებები (სურ. 2) ადასტურებდა ოპტიკურ დაკვირვებებს. საშუალო კვადრატული ფესვის (RMS) მნიშვნელობებმა დაადასტურა ყველაზე გლუვი ზედაპირები (100)2°-დან და (995) სუბსტრატებზე, რომლებიც გამოირჩეოდნენ მარცვლისებრი სტრუქტურებით 400-800 ნმ გვერდითი ზომებით. (110)-ით გაზრდილი ფენა ყველაზე უხეში იყო, ხოლო წაგრძელებული და/ან პარალელური მახასიათებლები ზოგჯერ მკვეთრი საზღვრებით ჩნდებოდა სხვა ორიენტაციებში ((331), (510)). რენტგენის დიფრაქციულმა (XRD) θ-2θ სკანირებამ (შეჯამებულია ცხრილში 1) აჩვენა წარმატებული ჰეტეროეპიტაქსია დაბალი მილერის ინდექსის სუბსტრატებისთვის, გარდა Si(110)-ისა, რომელმაც აჩვენა შერეული 3C-SiC(111) და (110) პიკები, რაც მიუთითებს პოლიკრისტალურობაზე. ორიენტაციის ეს შერევა ადრე იყო აღწერილი Si(110)-ისთვის, თუმცა ზოგიერთ კვლევაში დაფიქსირდა ექსკლუზიური (111)-ორიენტირებული 3C-SiC, რაც მიუთითებს, რომ ზრდის პირობების ოპტიმიზაცია კრიტიკულია. მილერის ინდექსებისთვის ≥5 ((510), (553), (995)), სტანდარტულ θ-2θ კონფიგურაციაში XRD პიკები არ დაფიქსირებულა, რადგან ეს მაღალი ინდექსის სიბრტყეები ამ გეომეტრიაში არ არის დიფრაქციის გამომწვევი. დაბალი ინდექსის 3C-SiC პიკების არარსებობა (მაგ., (111), (200)) მიუთითებს ერთკრისტალურ ზრდაზე, რაც მოითხოვს ნიმუშის დახრას დაბალი ინდექსის სიბრტყეებიდან დიფრაქციის აღმოსაჩენად.
სურათი 2 გვიჩვენებს CFC-ის კრისტალური სტრუქტურის ფარგლებში სიბრტყის კუთხის გამოთვლას.
მაღალი და დაბალი ინდექსის სიბრტყეებს შორის გამოთვლილმა კრისტალოგრაფიულმა კუთხეებმა (ცხრილი 2) აჩვენა დიდი დეზორიენტაცია (>10°), რაც ხსნის მათ არარსებობას სტანდარტულ θ-2θ სკანირებაში. ამიტომ, პოლუსის ფიგურის ანალიზი ჩატარდა (995)-ორიენტირებულ ნიმუშზე მისი უჩვეულო გრანულარული მორფოლოგიის (პოტენციურად სვეტოვანი ზრდის ან დაწყვილების შედეგად) და დაბალი უხეშობის გამო. Si სუბსტრატისა და 3C-SiC ფენიდან (111) პოლუსის ფიგურები (ნახ. 3) თითქმის იდენტური იყო, რაც ადასტურებდა ეპიტაქსიურ ზრდას დაწყვილების გარეშე. ცენტრალური ლაქა გამოჩნდა χ≈15°-ზე, რაც ემთხვეოდა თეორიულ (111)-(995) კუთხეს. სამი სიმეტრიის ეკვივალენტური ლაქა გამოჩნდა მოსალოდნელ პოზიციებზე (χ=56.2°/φ=269.4°, χ=79°/φ=146.7° და 33.6°), თუმცა χ=62°/φ=93.3°-ზე მოულოდნელი სუსტი ლაქა საჭიროებს შემდგომ კვლევას. φ-სკანირებებში ლაქის სიგანით შეფასებული კრისტალური ხარისხი იმედისმომცემად გამოიყურება, თუმცა რაოდენობრივი განსაზღვრისთვის საჭიროა რხევის მრუდის გაზომვები. (510) და (553) ნიმუშების პოლუსების მაჩვენებლები ჯერ კიდევ დასასრულებელია მათი სავარაუდო ეპიტაქსიური ბუნების დასადასტურებლად.
სურათი 3 გვიჩვენებს (995) ორიენტირებულ ნიმუშზე ჩაწერილ XRD პიკის დიაგრამას, რომელიც ასახავს Si სუბსტრატის (a) და 3C-SiC ფენის (b) (111) სიბრტყეებს.
4. დასკვნა
ჰეტეროეპიტაქსიური 3C-SiC ზრდა წარმატებით განხორციელდა Si ორიენტაციის უმეტეს ნაწილზე, გარდა (110), რომელმაც წარმოშვა პოლიკრისტალური მასალა. Si(100)2°-დან და (995) სუბსტრატებმა წარმოქმნა ყველაზე გლუვი ფენები (RMS <1 ნმ), ხოლო (111), (211) და (553)-მა აჩვენა მნიშვნელოვანი მოხრა (30-60 μm). მაღალი ინდექსის სუბსტრატებს სჭირდებათ XRD-ის გაფართოებული დახასიათება (მაგ., პოლუსების ფიგურები) θ-2θ პიკების არარსებობის გამო ეპიტაქსიის დასადასტურებლად. მიმდინარე სამუშაოები მოიცავს რხევის მრუდის გაზომვებს, რამანის დაძაბულობის ანალიზს და გაფართოებას დამატებით მაღალი ინდექსის ორიენტაციებზე ამ კვლევითი კვლევის დასასრულებლად.
ვერტიკალურად ინტეგრირებული მწარმოებლის სახით, XKH გთავაზობთ პროფესიონალურ, მორგებულ დამუშავების მომსახურებას სილიციუმის კარბიდის სუბსტრატების ყოვლისმომცველი პორტფოლიოთი, რომელიც მოიცავს სტანდარტულ და სპეციალიზებულ ტიპებს, მათ შორის 4H/6H-N, 4H-Semi, 4H/6H-P და 3C-SiC, რომლებიც ხელმისაწვდომია 2-დან 12 ინჩამდე დიამეტრის დიამეტრებში. ჩვენი ყოვლისმომცველი ექსპერტიზა კრისტალების ზრდის, ზუსტი დამუშავებისა და ხარისხის უზრუნველყოფის სფეროში უზრუნველყოფს მორგებულ გადაწყვეტილებებს ელექტრონიკის, რადიოსიხშირული და ახალი აპლიკაციებისთვის.
გამოქვეყნების დრო: 2025 წლის 8 აგვისტო