1. Introduzione
Malgradu decennii di ricerca, u 3C-SiC eteroepitassiale cultivatu nantu à substrati di siliciu ùn hà ancu ottenutu una qualità cristallina sufficiente per l'applicazioni elettroniche industriali. A crescita hè tipicamente realizata nantu à substrati Si(100) o Si(111), ognunu presentendu sfide distinte: domini anti-fase per (100) è cracking per (111). Mentre i filmi orientati à [111] mostranu caratteristiche promettenti cum'è una densità di difetti ridotta, una morfologia superficiale migliorata è una tensione più bassa, orientazioni alternative cum'è (110) è (211) restanu pocu studiate. I dati esistenti suggerenu chì e cundizioni di crescita ottimali ponu esse specifiche di l'orientazione, complichendu l'investigazione sistematica. In particulare, l'usu di substrati di Si cù indice di Miller più altu (per esempiu, (311), (510)) per l'eteroepitassia 3C-SiC ùn hè mai statu signalatu, lascendu un spaziu significativu per a ricerca esplorativa nantu à i meccanismi di crescita dipendenti da l'orientazione.
2. Sperimentale
I strati 3C-SiC sò stati dipusitati per deposizione chimica da vapore à pressione atmosferica (CVD) utilizendu gas precursori SiH4/C3H8/H2. I sustrati eranu wafer di Si di 1 cm² cù diverse orientazioni: (100), (111), (110), (211), (311), (331), (510), (553) è (995). Tutti i sustrati eranu in asse eccettu per (100), induve sò stati testati ancu wafer tagliati à 2°. A pulizia di pre-crescita hà implicatu u sgrassaggio ultrasonico in metanolu. U protocolu di crescita hà cumpresu a rimozione di l'ossidu nativu per via di a ricottura H2 à 1000°C, seguita da un prucessu standard in dui passi: carburazione per 10 minuti à 1165°C cù 12 sccm C3H8, poi epitaxia per 60 minuti à 1350°C (rapportu C/Si = 4) utilizendu 1,5 sccm SiH4 è 2 sccm C3H8. Ogni ciclu di crescita includeva da quattru à cinque orientazioni diverse di Si, cù almenu una (100) cialda di riferimentu.
3. Risultati è discussione
A murfulugia di i strati 3C-SiC cresciuti nantu à diversi sustrati di Si (Fig. 1) hà mostratu caratteristiche di superficia è rugosità distinte. Visivamente, i campioni cresciuti nantu à Si(100), (211), (311), (553) è (995) parevanu speculari, mentre chì altri variavanu da lattiginosi ((331), (510)) à opachi ((110), (111)). E superfici più lisce (chì mostranu a microstruttura più fina) sò state ottenute nantu à i sustrati (100)2° off è (995). Sorprendentemente, tutti i strati sò rimasti senza crepe dopu u raffreddamentu, cumpresu u 3C-SiC(111) tipicamente propensu à u stress. A dimensione limitata di u campione pò avè impeditu a crepatura, ancu se alcuni campioni anu mostratu una curvatura (deflessione di 30-60 μm da u centru à u bordu) rilevabile sottu microscopia ottica à un ingrandimentu di 1000× per via di u stress termicu accumulatu. I strati assai incurvati cresciuti nantu à i substrati di Si(111), (211) è (553) anu mostratu forme concave chì indicanu una deformazione di trazione, chì richiede un ulteriore travagliu sperimentale è teoricu per correlà cù l'orientazione cristallografica.
A figura 1 riassume i risultati XRD è AFM (scansione à 20 × 20 μ m2) di i strati 3C-SC cresciuti nantu à substrati di Si cù diverse orientazioni.
L'imagine di microscopia à forza atomica (AFM) (Fig. 2) anu curruburatu l'osservazioni ottiche. I valori di a radice quadratica media (RMS) anu cunfirmatu e superfici più lisce nantu à i substrati (100)2° off è (995), prisentendu strutture simili à grani cù dimensioni laterali di 400-800 nm. U stratu cresciutu cù (110) era u più ruvidu, mentre chì e caratteristiche allungate è/o parallele cù occasionali limiti netti sò apparse in altre orientazioni ((331), (510)). E scansioni di diffrazione di raggi X (XRD) θ-2θ (riassunte in a Tabella 1) anu rivelatu una eteroepitassia riescita per i substrati à indice di Miller più bassu, eccettu per Si(110) chì hà mostratu picchi misti di 3C-SiC(111) è (110) chì indicanu policristallinità. Questa miscelazione di orientazione hè stata precedentemente riportata per Si(110), ancu se alcuni studii anu osservatu 3C-SiC orientatu esclusivamente à (111), suggerendu chì l'ottimizazione di e cundizioni di crescita hè critica. Per l'indici di Miller ≥5 ((510), (553), (995)), nisun piccu XRD hè statu rilevatu in a cunfigurazione standard θ-2θ postu chì questi piani à altu indice ùn sò micca diffrattivi in questa geometria. L'assenza di picchi 3C-SiC à bassu indice (per esempiu, (111), (200)) suggerisce una crescita monocristallina, chì richiede l'inclinazione di u campione per rilevà a diffrazione da i piani à bassu indice.
A figura 2 mostra u calculu di l'angulu di u pianu in a struttura cristallina CFC.
L'anguli cristallografichi calculati trà i piani à indice altu è à indice bassu (Tavula 2) anu mostratu grandi disorientazioni (> 10°), spiegendu a so assenza in e scansioni standard θ-2θ. L'analisi di a figura polare hè stata dunque realizata nantu à u campione orientatu (995) per via di a so morfologia granulare insolita (potenzialmente da crescita culunnare o gemellaggio) è bassa rugosità. E figure polari (111) (Fig. 3) da u substratu di Si è u stratu 3C-SiC eranu guasi identiche, cunfirmendu a crescita epitassiale senza gemellaggio. U puntu cintrale hè apparsu à χ≈15°, currispundendu à l'angulu teoricu (111)-(995). Trè punti equivalenti à simmetria sò apparsi à e pusizioni previste (χ=56,2°/φ=269,4°, χ=79°/φ=146,7° è 33,6°), ancu s'è un puntu debule imprevistu à χ=62°/φ=93,3° richiede ulteriori investigazioni. A qualità cristallina, valutata per via di a larghezza di u puntu in i scan φ, pare promettente, ancu s'è e misurazioni di a curva di oscillazione sò necessarie per a quantificazione. E figure di i poli per i campioni (510) è (553) devenu esse cumpletate per cunfirmà a so presunta natura epitassiale.
A figura 3 mostra u diagrama di piccu XRD registratu nantu à u campione orientatu (995), chì mostra i piani (111) di u substratu Si (a) è u stratu 3C-SiC (b).
4. Cunclusione
A crescita eteroepitassiale di 3C-SiC hà riesciutu in a maiò parte di l'orientazioni di Si eccettu (110), chì hà pruduttu materiale policristallinu. I substrati di Si(100)2° off è (995) anu pruduttu i strati più lisci (RMS <1 nm), mentre chì (111), (211) è (553) anu mostratu una curvatura significativa (30-60 μm). I substrati à altu indice richiedenu una caratterizazione XRD avanzata (per esempiu, figure di poli) per cunfirmà l'epitassia per via di l'assenza di picchi θ-2θ. U travagliu in corsu include misurazioni di curve di oscillazione, analisi di stress Raman è espansione à orientazioni supplementari à altu indice per cumpletà questu studiu esplorativu.
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Data di publicazione: 8 d'aostu 2025