1. Pendahuluan
Meskipun telah dilakukan penelitian selama beberapa dekade, heteroepitaxial 3C-SiC yang tumbuh 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 memiliki tantangan tersendiri: domain anti-fase untuk (100) dan retak untuk (111). Meskipun film berorientasi [111] menunjukkan karakteristik yang menjanjikan seperti kepadatan cacat yang berkurang, morfologi permukaan yang lebih baik, 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, sehingga menyulitkan penyelidikan sistematis. Perlu dicatat bahwa penggunaan substrat Si dengan indeks Miller yang lebih tinggi (misalnya, (311), (510)) untuk heteroepitaksi 3C-SiC belum pernah dilaporkan, sehingga masih banyak ruang untuk penelitian eksploratif tentang mekanisme pertumbuhan yang bergantung pada orientasi.
2. Eksperimental
Lapisan 3C-SiC diendapkan melalui deposisi uap kimia (CVD) bertekanan atmosfer menggunakan gas prekursor SiH4/C3H8/H2. Substratnya berupa wafer Si berukuran 1 cm² dengan berbagai orientasi: (100), (111), (110), (211), (311), (331), (510), (553), dan (995). Semua substrat berada pada sumbu kecuali (100), di mana wafer potongan 2° juga diuji. Pembersihan pra-pertumbuhan melibatkan degreasing 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 siklus pertumbuhan mencakup empat hingga lima orientasi Si yang berbeda, dengan setidaknya satu (100) wafer referensi.
3. Hasil dan Pembahasan
Morfologi lapisan 3C-SiC yang tumbuh pada berbagai substrat Si (Gbr. 1) menunjukkan fitur permukaan dan kekasaran yang berbeda. Secara visual, sampel yang tumbuh pada Si(100), (211), (311), (553), dan (995) tampak seperti cermin, sementara yang lain berkisar dari seperti susu ((331), (510)) hingga kusam ((110), (111)). Permukaan paling halus (menunjukkan struktur mikro paling halus) diperoleh pada substrat (100)2° 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 retak, meskipun beberapa sampel menunjukkan lengkungan (defleksi 30-60 μm dari pusat ke tepi) yang dapat dideteksi di bawah mikroskop optik pada perbesaran 1000x akibat tegangan termal yang terakumulasi. Lapisan yang sangat melengkung yang tumbuh pada substrat Si(111), (211), dan (553) menampilkan bentuk cekung yang menunjukkan regangan tarik, memerlukan pekerjaan eksperimental dan teoritis lebih lanjut untuk mengkorelasikannya dengan orientasi kristalografi.
Gambar 1 merangkum hasil XRD dan AFM (pemindaian pada 20×20 μ m2) dari lapisan 3C-SC yang tumbuh pada substrat Si dengan orientasi berbeda.
Citra mikroskop gaya atom (AFM) (Gbr. 2) menguatkan pengamatan optik. Nilai akar rata-rata kuadrat (RMS) mengonfirmasi permukaan paling halus pada substrat (100)2° dan (995), yang menampilkan struktur seperti butiran dengan dimensi lateral 400-800 nm. Lapisan yang ditumbuhkan (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 (diringkas dalam Tabel 1) menunjukkan heteroepitaksi yang berhasil untuk substrat dengan indeks Miller yang lebih rendah, kecuali untuk Si(110) yang menunjukkan puncak campuran 3C-SiC(111) dan (110) yang menunjukkan polikristalinitas. Percampuran orientasi ini telah dilaporkan sebelumnya untuk Si(110), meskipun beberapa studi mengamati 3C-SiC berorientasi (111) secara eksklusif, yang 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 terdifraksi 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 dalam struktur kristal CFC.
Sudut kristalografi yang dihitung antara bidang indeks tinggi dan indeks rendah (Tabel 2) menunjukkan misorientasi yang besar (>10°), yang menjelaskan ketidakhadirannya pada pemindaian θ-2θ standar. Oleh karena itu, analisis figur kutub dilakukan pada sampel berorientasi (995) karena morfologi granularnya yang tidak biasa (kemungkinan akibat pertumbuhan kolumnar atau twinning) dan kekasaran yang rendah. Figur kutub (111) (Gambar 3) dari substrat Si dan lapisan 3C-SiC hampir identik, yang mengonfirmasi pertumbuhan epitaksial tanpa twinning. Titik pusat muncul pada χ≈15°, sesuai dengan sudut teoritis (111)-(995). Tiga titik ekuivalen 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. Gambar kutub untuk sampel (510) dan (553) masih harus diselesaikan untuk mengonfirmasi dugaan sifat epitaksialnya.
Gambar 3 menunjukkan diagram puncak XRD yang direkam pada sampel berorientasi (995), yang menampilkan bidang (111) substrat Si (a) dan lapisan 3C-SiC (b).
4. Kesimpulan
Pertumbuhan 3C-SiC heteroepitaksial 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), sementara (111), (211), dan (553) menunjukkan lengkungan yang signifikan (30-60 μm). Substrat indeks tinggi memerlukan karakterisasi XRD tingkat lanjut (misalnya, figur kutub) untuk mengonfirmasi epitaksi akibat tidak adanya puncak θ-2θ. Penelitian yang sedang berlangsung meliputi pengukuran kurva goyang, analisis tegangan Raman, dan perluasan ke orientasi indeks tinggi lainnya untuk melengkapi studi eksplorasi ini.
Sebagai produsen yang terintegrasi secara vertikal, XKH menyediakan layanan pemrosesan profesional yang disesuaikan dengan portofolio lengkap substrat silikon karbida, menawarkan tipe standar dan khusus termasuk 4H/6H-N, 4H-Semi, 4H/6H-P, dan 3C-SiC, tersedia dalam diameter mulai 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: 08-08-2025