1. Pendahuluan
Meskipun telah dilakukan penelitian selama beberapa dekade, 3C-SiC heteroepitaksial yang ditumbuhkan pada substrat silikon belum mencapai kualitas kristal yang memadai untuk aplikasi elektronik industri. Pertumbuhan biasanya dilakukan pada substrat Si(100) atau Si(111), yang masing-masing menghadirkan tantangan yang berbeda: domain anti-fase untuk (100) dan keretakan untuk (111). Sementara film berorientasi [111] menunjukkan karakteristik yang menjanjikan seperti pengurangan kepadatan cacat, peningkatan morfologi permukaan, dan tegangan yang lebih rendah, orientasi alternatif seperti (110) dan (211) masih kurang dipelajari. Data yang ada menunjukkan bahwa kondisi pertumbuhan optimal mungkin spesifik terhadap orientasi, yang mempersulit investigasi sistematis. Perlu dicatat, penggunaan substrat Si dengan indeks Miller yang lebih tinggi (misalnya, (311), (510)) untuk heteroepitaksi 3C-SiC belum pernah dilaporkan, sehingga menyisakan ruang yang signifikan untuk penelitian eksplorasi tentang mekanisme pertumbuhan yang bergantung pada orientasi.
2. Eksperimental
Lapisan 3C-SiC diendapkan melalui deposisi uap kimia tekanan atmosfer (CVD) menggunakan gas prekursor SiH4/C3H8/H2. Substrat yang digunakan adalah wafer Si 1 cm² dengan berbagai orientasi: (100), (111), (110), (211), (311), (331), (510), (553), dan (995). Semua substrat berada pada sumbu kecuali untuk (100), di mana wafer dengan kemiringan 2° juga diuji. Pembersihan sebelum pertumbuhan melibatkan penghilangan lemak ultrasonik dalam metanol. Protokol pertumbuhan terdiri dari penghilangan oksida alami melalui anil H2 pada suhu 1000°C, diikuti oleh proses dua langkah standar: karburisasi selama 10 menit pada suhu 1165°C dengan 12 sccm C3H8, kemudian epitaksi selama 60 menit pada suhu 1350°C (rasio C/Si = 4) menggunakan 1,5 sccm SiH4 dan 2 sccm C3H8. Setiap proses pertumbuhan mencakup empat hingga lima orientasi Si yang berbeda, dengan setidaknya satu wafer referensi (100).
3. Hasil dan Diskusi
Morfologi lapisan 3C-SiC yang ditumbuhkan pada berbagai substrat Si (Gambar 1) menunjukkan fitur permukaan dan kekasaran yang berbeda. Secara visual, sampel yang ditumbuhkan pada Si(100), (211), (311), (553), dan (995) tampak seperti cermin, sedangkan yang lain berkisar dari buram ((331), (510)) hingga kusam ((110), (111)). Permukaan yang paling halus (menunjukkan mikrostruktur terbaik) diperoleh pada substrat (100)2° off dan (995). Hebatnya, semua lapisan tetap bebas retak setelah pendinginan, termasuk 3C-SiC(111) yang biasanya rentan terhadap tegangan. Ukuran sampel yang terbatas mungkin telah mencegah keretakan, meskipun beberapa sampel menunjukkan pembengkokan (defleksi 30-60 μm dari tengah ke tepi) yang dapat dideteksi di bawah mikroskop optik pada perbesaran 1000× karena akumulasi tegangan termal. Lapisan yang sangat melengkung yang tumbuh pada substrat Si(111), (211), dan (553) menampilkan bentuk cekung yang mengindikasikan regangan tarik, sehingga memerlukan pekerjaan eksperimental dan teoretis lebih lanjut untuk dikorelasikan dengan orientasi kristalografi.
Gambar 1 merangkum hasil XRD dan AFM (pemindaian pada 20×20 μm2) dari lapisan 3C-SC yang ditumbuhkan pada substrat Si dengan orientasi yang berbeda.
Citra mikroskop gaya atom (AFM) (Gambar 2) menguatkan pengamatan optik. Nilai root-mean-square (RMS) mengkonfirmasi permukaan paling halus pada substrat (100)2° off dan (995), yang menampilkan struktur seperti butiran dengan dimensi lateral 400-800 nm. Lapisan yang tumbuh pada (110) adalah yang paling kasar, sementara fitur memanjang dan/atau paralel dengan batas tajam sesekali muncul pada orientasi lain ((331), (510)). Pemindaian difraksi sinar-X (XRD) θ-2θ (dirangkum dalam Tabel 1) mengungkapkan heteroepitaksi yang berhasil untuk substrat indeks Miller yang lebih rendah, kecuali untuk Si(110) yang menunjukkan puncak 3C-SiC(111) dan (110) campuran yang mengindikasikan polikristalinitas. Pencampuran orientasi ini telah dilaporkan sebelumnya untuk Si(110), meskipun beberapa penelitian mengamati 3C-SiC berorientasi (111) eksklusif, menunjukkan bahwa optimasi kondisi pertumbuhan sangat penting. Untuk indeks Miller ≥5 ((510), (553), (995)), tidak ada puncak XRD yang terdeteksi dalam konfigurasi θ-2θ standar karena bidang indeks tinggi ini tidak menghasilkan difraksi dalam geometri ini. Tidak adanya puncak 3C-SiC indeks rendah (misalnya, (111), (200)) menunjukkan pertumbuhan kristal tunggal, yang memerlukan kemiringan sampel untuk mendeteksi difraksi dari bidang indeks rendah.
Gambar 2 menunjukkan perhitungan sudut bidang di dalam struktur kristal CFC.
Sudut kristalografi yang dihitung antara bidang indeks tinggi dan indeks rendah (Tabel 2) menunjukkan misorientasi besar (>10°), yang menjelaskan ketidakhadirannya dalam pemindaian θ-2θ standar. Oleh karena itu, analisis diagram kutub dilakukan pada sampel berorientasi (995) karena morfologi granularnya yang tidak biasa (berpotensi dari pertumbuhan kolumnar atau kembaran) dan kekasaran yang rendah. Diagram kutub (111) (Gambar 3) dari substrat Si dan lapisan 3C-SiC hampir identik, yang mengkonfirmasi pertumbuhan epitaksial tanpa kembaran. Titik pusat muncul pada χ≈15°, sesuai dengan sudut teoritis (111)-(995). Tiga titik yang setara secara simetri muncul pada posisi yang diharapkan (χ=56,2°/φ=269,4°, χ=79°/φ=146,7° dan 33,6°), meskipun titik lemah yang tidak terduga pada χ=62°/φ=93,3° memerlukan penyelidikan lebih lanjut. Kualitas kristal, yang dinilai melalui lebar titik pada pemindaian φ, tampak menjanjikan, meskipun pengukuran kurva goyang diperlukan untuk kuantifikasi. Diagram kutub untuk sampel (510) dan (553) masih perlu diselesaikan untuk mengkonfirmasi sifat epitaksial yang diasumsikan.
Gambar 3 menunjukkan diagram puncak XRD yang direkam pada sampel berorientasi (995), yang menampilkan bidang (111) dari substrat Si (a) dan lapisan 3C-SiC (b).
4. Kesimpulan
Pertumbuhan heteroepitaksial 3C-SiC berhasil pada sebagian besar orientasi Si kecuali (110), yang menghasilkan material polikristalin. Substrat Si(100)2° off dan (995) menghasilkan lapisan paling halus (RMS <1 nm), sedangkan (111), (211), dan (553) menunjukkan pembengkokan yang signifikan (30-60 μm). Substrat indeks tinggi memerlukan karakterisasi XRD tingkat lanjut (misalnya, diagram kutub) untuk mengkonfirmasi epitaksi karena tidak adanya puncak θ-2θ. Pekerjaan yang sedang berlangsung meliputi pengukuran kurva goyang, analisis tegangan Raman, dan perluasan ke orientasi indeks tinggi tambahan untuk menyelesaikan studi eksplorasi ini.
Sebagai produsen yang terintegrasi secara vertikal, XKH menyediakan layanan pemrosesan khusus profesional dengan portofolio substrat silikon karbida yang komprehensif, menawarkan tipe standar dan khusus termasuk 4H/6H-N, 4H-Semi, 4H/6H-P, dan 3C-SiC, tersedia dalam diameter dari 2 inci hingga 12 inci. Keahlian menyeluruh kami dalam pertumbuhan kristal, pemesinan presisi, dan jaminan kualitas memastikan solusi yang disesuaikan untuk elektronika daya, RF, dan aplikasi yang sedang berkembang.
Waktu posting: 08-Agustus-2025